REGULASI EKSPRESI GEN PADA EUKARIOTIK
EKSPREI GEN Di dalam gen, urutan nukleotida sepanang untaian DNA menentukan protein, !ang !ang akan akan di"asil di"asilkan kan ole" ole" organ organism ismee dise#u dise#utt se#agai se#agai ekspre ekspresi si gan Langka Langka" " pertama dalam ekspresi ekspres i gen adala" transknpsi DNA menadi RNA$ %olekul RNA sama dengan DNA ke&uali pada '$ Gugusan gula adala" ri#osa$ (asa Urasil )U* mengga mengganti ntikan kan Timin imin )T dan U #erpas #erpasang angan an dengan dengan A RNA #iasan! #iasan!aa tidak tidak #erantai
ganda
+alaupun
daapt
melipat
dinn!a
sendini
ika
teradi
komplementaritas dan #ee#rapa ins RNA #erantai gandaTiga
kelas
RNA
utama
merupakan
RNA
messen sseng ger
)mRNA*,
RNA
tramserORNAL RNA n#osomal )rRNA*$ mRNA diterema"kan menadi protein tRNA terli#at dalam trans.er asam amino ke dalam protein, rRNA termuat dalam ri#osom !ang .rii#ar dalam sintesis protein
PENGATURAN EKSPRESI GEN PADA SEL EUKARIOT
Aktiitas #er#agai gen memperli"atkan ariasi !ang luas dalam #er#agai sel Dengan demikian, "ormon pertim#u"an dan insulin masing/masing se&ara di"asilkan eksklusi. dalam kelenar "ipo.isis dan sel pankreas Gen lain diekspresikan se&ara luas$ 0onto"n!a gem renin diekspresikan dalam ginal dan #e#erapa arin ekstramenal Per#edaan ini terutama dise#a#kan dise#a#kan ole" pengaturan ekspresi gen karena umumn!a struktur DNA adala" sama #agi seluru" sel/sel tu#u" Pada sel eukariot gen !ang mengkode protein !ang #er.ungsi #ersama/sama #iasan!a terletak pad akromoson !ang #er#eda$ %isaln!a gen untuk rantai glo#in a "aemoglo#in terletak som '1, sedangkan gen untuk rantai ( terletak dikromosom ''$ Situasi ini #er#eda dari #akteri, di mana gen !ang mengkode protein #er.ungsi #ersama/sam #erletak #erdampingan satu sama lain dalam operan$ operon tidak terdapat pada sel eukariot
Ekspresi gen pada sel eukario!, #erlangsung di seumla" ta"apan !ang #er#eda !aitu2 transkripsi, paska transkripsi, translasi, pas&a translasi$
Pengaturan Transkripsi Kontrol utama dan ekspresi gen teradi pada tingkat a+al transkripsi Transkripsi dia+ali ole" pada unsur promotor proksimal !ang mem#entuk sekitar 34 nukleotida di "ulu dari tempat start transkripsi Daera" ini mengandung !ang dise#ut se#agai #ooks TATA dengan rangkaian TATA atau rangkaian !ang serupa struktur ini mengikat suatu kompleks protein !ang dikeral se#agai .aktor #ooks TATA, dalam "al ini termasuk protein protein pengikatan #ooks TATA )T(P atau T5ID*$ 5aktor lain seperti T5IL T5III dan polimerase RNA (e#erapa promotor tidak mengandung kotak TATA dan menga+ali transkripsi melalui .aktor/.aktor !ang sama$ se&ara umum .aktor/.aktor ini dise#ut .aktor piranti umum dan #asal
Protein lain dapat #erikatan dengan .aktor #asal pada rego promotor dan en"an&er DNA untuk #ertindak #ersama dengan RNA polimerase untuk dapat mengatur a+al transkripsi Protein ini dise#ut se#aga .a&tor #ansanps Transaktiator adala" protein !ang diga#ungkan dengan protein lain 4koaktiato* ke kompleks protein !ang tenkat ke promotor #asal di #ooks TATA Apa#ila ter!adi interaksi !ang sesuai antara tuaasak"atot, koa&tiator dan kompleks promotor #asal, RNA polimerase le#i" sering #enkatan dengan se"ingga ke&epatan transkrip gen meningkat Interaksi protein pengatur ini dengan DNA meli#atkan gam#aran struktural misaln!a moti. #elit sium/"eli6 atau 7ink .ii (an!ak dari protein ini mem#entuk dimer melalui gam#aran struktural misa leu&ine 7ipper
Pengakti.an Gen Spesi.ik Di tingkat transkripsi gen spesi.ik, elemen di dalam urutan DNA )dise#ut elemen sis* #erikatan dengan .aktor lain !ang dikenal se#agai elemen trans )#iasan!a protein !ang mendorong atau meng"am#at pengikatan RNA polimerase ke gen$
sen!a+a, misa "ormon steroid dapat #er.ungsi se#agai indu&er merangsang pengikatan elemen trans ke elemen sis DNA r seperti "omon steroid !ang masuk ke dalam sel dan #erikatan dengan protein reseptor$ Reseptor ini uga memiliki domain !ang mengikat elemen respon spesi.ik )elemen sis*$ Apa#ila kompleks indu&er reseptor #erikatan dengan DNA gen mungkin menadi akti. atau pada #e#erapa kasus menadi tidak akti.
8ormon polipeptida dan .aktor pertum#u"an uga mengatur ekspresi gen, +alaupun sen!a+a ini tidak masuk ke dalam sel Sen!a+a terse#ut #ereaksi dengan reseptor !ang terletak di permukaan sel, merangsang reaksi !ang meng"asilkan se&ond messenger di dalam sel, !ang ak"irn!a mengakti.lkan gen Indu&er !ang sama dapat mengakti.kan #an!ak gen !ang #er#eda apa#ila setiap gen terse#ut memiliki elemen respon !ang !ang umum di regio pengaturm!a$ Pada ken!ataann!a se#ua" indu&er dapat mengakti.kan serangkaian gen dalam suatu &ara !ang terprogram dan teratur Indu&er mula/mula mengakti.lkan satu kumpulan gen$ Sala" satu protein produk kumpulan gen ter se#ut kemudian dapat #er.ungsi se#agai indu&er #agi kumpulan gen!ang lain$ Apa#ila poses ini dulang/ ulang, "asil ak"irn!a adala" #a"+a satu indu&er dapat merangsang serangkaian proses !ang mengakti.kan #an!ak kumpulan gen !ang #erlainan$ Selain serangkaian gen !ang #erespon ter"adap " serangkaian gen!ang lain, dise#ut "eat s"o&k genes "ormon, #erespon ter"adap peningkatan su"u, meng"asilkan protein !ang melindungi sel dari kerusakan aki#at panas Dengan demikian masing/masine Een meimiliki #an!ak elemen respon !ang memiliki protein k"usus !ang mengatur #er#eda di regio pengaturn!a setiap gen tidak transkripsin!a$ Namun terdapat seamla" ke&il protein pengatur !ang #ekega #ersama/ sama untuk meng"asilkan #er#agai respon dari gen !ang #erlainan
PENGATURAN DITINGKAT PAS0A TRANSKRIPSI %erupakan pengaturan setela" ter mRNA dan selama transport RNA dan inti ke sitoplasma Pen!untingan RNA
Pada #e#erapa keadaan RNA mengalami #e#erapa peru#a"an setela" transkripsi Pada semua urutan gen adala" sama$ Namun mRNA$ !ang ditranskripsikan dari gen terse#ut #er#eda 9alaupun #elum sepenu"n!a dipa"ami, tampakn!a mekanisme !ang digunakan meli#atkan peru#a"an # penam#a"an atau pengurangan se#ua" nnkletida disintesa sala" satu &onto" pen!untingan dan #er.ungsi se#agai lipo !ang di"asilkan ole" aringan terse#ut$ 9alaupun protein apoprotein terse#ut dikode ole" gen !ang sama, ersi protein !ang di#entuk di "ati )( '44* mengandung :s13 residu asam amino, sedangkan !ang di#entuk di sel usus )(/ :;* "an!a memiliki <'=< asam amino$
Transport mRNA$ Pada sel eukariot, mRNA "ams #erpinda" dari inti melalui pon/pori inti ke stoplasma agar dapat ditranslasikan Nuklease menguraikan mRNA, men&ega" pem#entukan protein !ang dikode ole" mRNA$ Selama transportasi ini mRNA terkat pada protein !ang mem#antu penguraiann!a
PENGATURAN TINGKAT TRANSLASI inisiasi untuk translasi, Pengaturan pada pem#entukan protein 5aktor terutama .aktor inisiasi eukariotik )el5<* merupakan pusat mekanisme pengatur ini, kena el5< dapat di"am#at ole" .os.orilasi mRNA lain memiliki lengkung taam !ang meng"am#at inisiasi translasi PENGATURAN TINGKAT POST TRANSLASI Pengaturan setela" ter#entukn!a protein setela" disintesis, lama "idup protein diatur ole" degradasi proteolitik Pro memiliki +aktu apru" !ang #er#eda/#eda$ tein Se#agian "an!a #erta"an #e#erapa am atau "ari >ang lain mene sampai #e#erapa #ulan atau ta"un se#agian protein mer degradasi ole" en7im lisosom Protein lain didegradasi ole" prote se di dalam sitoplasma$ Se#agian protein ini tampakn!a mengalami degradasi elalui pengikatan suatu protein !ang dikenal dengan nama u#ikuitin$ U#ikuitin adala" protein !ang sangat "ema rutan asam aminon!a "an!a memiliki sedikit anasi antara #er#agai organisme
REGULASI EKSPRESI GEN PADA PROKARYOT
Kemampuan adaptasi organisme #ergantung pada kemampuann!a untuk ?turn on@ )men!alakan* dan ?turn o..@ )mematikan* ekspresi set/set gen !ang spesi.ik #ergantung pada lingkungan$ Ekspresi gen tertentu akan din!alakan apa#iila diperlukan dan akan dimatika apa#ila suda" tidak diperlukan$ Dengan memiliki kemampuan untuk meregulasi ekspresi gen maka organisme dapat tum#u" dan #erkem#ang#iak pada #er#agai kondisi lingkungan )Gardner, ''*$ Gen/gen tertentu, seperti gen/gen !ang spesi.ik untuk RNA ri#osom, protein ri#osom, dan RNA trans.er diperlukan setiap saat tanpa memper"atikan kondisi lingkungan$ Namun #e#erapa produk gen tertentu "an!a diperlukan untuk pertum#u"an pada kondisi lingkungan tertentu, ekspresi gen diregulasi dan produkn!a disintesis "an!a #ila diperlukan )Gardner, ''* (erdasarkan regulasi transkripsi pada eukar!ot dan prokar!ot !ang diketa"ui saat ini, #er#agai mekanisme dapat dikelompokkan ke dalam dua kategori umum !aitu se#agai #erikut2 '$ %ekanisme !ang terli#at dala ?turn on@ dan ?turn o..@ !ang &epat pada ekspresi gen dalam respon ter"adap peru#a"an lingkungan$ <$ %ekanisme !ang dise#ut preprogrammed &ir&uits o. gene e6pression )Gardner, ''*$
A. Induksi dan Represi pada Prokaryot
Produk gen tertentu seperti molekul tRNA, molekul rRNA, protein ri#osom, komponen RNA polimerase )polipeptida*, dan en7im pengkatalis dalam proses meta#olik !ang sering #er.ungsi se#agai ?"ousekeeping@ merupakan komponen esensial #agi se#agian #esar sel "idup$ Gen spesi.ik untuk produk terse#ut tergolong continually beng expressed pada se#agian #esar sel$ Gen terse#ut diekspresikan se&ara konstituti. dan dise#ut dengan gen/gen konstituti. )gen dasarB gen pokok* )Gardner, ''*$ (e#erapa gen lain diperlukan untuk pertum#u"an sel dalam kondisi lingkungan tertentu$ Sintesis konstituti. dari produk gen terse#ut akan mem#oroskan energi !ang semestin!a dapat digunakan untuk pertum#u"an !ang le#i" &epat dan reproduksi di #a+a" kondisi lingkungan terse#ut$ Eolusi dari
mekanisme regulasi men!e#a#kan sintesis produk gen "an!a, ika, dan dimana produk terse#ut diperlukan$ Organisme !ang memiliki mekanisme terse#ut mempun!ai kele#i"an di#andingkan dengan organisme lain, karena sangat e.isien dalam kontrol ekspresi gen )Gardner, ''*$ Escherichia coli dan se#agian #esar #akteri lain mampu menggunakan sala" satu dari #e#erapa ma&am kar#o"idrat )glukosa, sukrosa, galaktosa, ara#inosa, laktosa* se#agai sum#er energi$ Apa#ila glukosa tersedia di lingkungan, maka Escherichia coli akan le#i" memili"n!a untuk #a"an meta#olisme$ Apa#ila glukosa tidak tersedia, Escherichia coli masi" tetap dapat tum#u" dengan #aik dengan menggunakan kar#o"idrat lain$ Sel/sel !ang tum#u" di dalam laktosa akan mensintesis C/galaktosida dan C/galaktosida permease !ang merupakan en7im kata#olisme laktosa$ C/galaktosidase !ang #erperan dalam proses peme&a"an laktosa menadi glukosa dan galaktosa, dan C/galaktosida permease !ang #erperan dalam pemompaan C/galaktosida ke dalam sel$ Sintesis en7im/en7im terse#ut memerlukan energi dalam #entuk ATP dan ADP )Gardner, ''*$ Pada lingkungan !ang alami )tra&tus intestinal dan sistem pem#uangan*, terkadang Escherichia coli meng"adapi keadaan dimana tidak tersedian!a glukosa, melainkan tersedian!a laktosa$ Pada keadaan terse#ut, gen Escherichia coli !ang terli#at dalam penggunaan laktosa tidak terekspresi$ Apa#ila sel #akteri !ang tum#u" dalam kar#o"idrat selain laktosa dipinda"kan ke medium !ang mengandung laktosa se#agai satu/satun!a sem#er kar#on, maka sel #akteri terse#ut akan mensintesis en7im !ang diperlukan untuk penggunaan laktosa$ Proses ekspresi gen !ang ?turn on@ ole" respon su#stansi dalam lingkungan dise#ut induksi.Gen !ang terekspresi dise#ut inducible genes, produk !ang di"asilkan dise#ut inducible enzymes #ila produk #erupa en7im$ Su#stansi lain !ang dapat direspon dise#ut inducer )Gardner, ''*$ En7im !ang terli#at di dalam lintasan kata#olik )degradasi* seperti dalam penggunaan ara#inosa, galaktosa, dan laktosa dapat diinduksi$ Proses induksi terse#ut teradi pada ta"apan transkripsi$ Induksi akan mengu#a" ke&epatan sintesis en7im$
(akteri memiliki kapasitas meta#olik untuk sintesis se#agian #esar molekul organik, misaln!a Escherichia coli, #akteri ini memiliki lima gen pengkode en7im !ang diperlukan dalam sintesis tripto.an$ Kelima gen terse#ut akan diekspresikan ketika Escherichia coli #erada dalam lingkungan tanpa tripto.an$ Apa#ila di lingkungan tersedia &ukup tripto.an untuk pertum#u"an !ang optimal, maka sintesis tripto.an le#i" lanut dapat mem#oroskan energi karena #akteri terse#ut dapat mengan#il tripto.an eksternal$ Sintesis en7im #iosistematik tripto.an di ?turn o..@ apa#ila tripto.an tersedia di lingkungan eksternal$ Proses ?turn o..@ terse#ut dise#ut dengan represi$ Suatu gen !ang ekspresin!a di@turn o..@ dise#ut direpresi dan apa#ila ekspresi terse#ut di@turn on@ gen dikatakan diderepresi$ En7im !ang merupakan komponen lintasan ana#olik sering direpresi$ Represi teradi pada ta"ap transkripsi )Gardner, ''*$
B. ode! Operon Pada ta"un '1= 5$ a&o# dan $ %onod mengemukakan model operon
untuk menelaskan regulasi gen !ang mengkode en7im untuk peman.aatan laktosa pada E coli. Keduan!a mengusulkan #a"+a transkripsi satu atau satu set gen struktual !ang #erdampinganB#erse#ela"anB#erdekatan, diregulasi ole" elemen/ elemen engendali, sala" satun!a !aitu gen regulator !ang mengkode suatu protein !ang dise#ut represor, di#a+a" kondisi tertentu represor mengikat elemen kedua !aitu operator$ ika represor diikat operator, transkripsi gen/gen struktual tidak dapat teradi$ Saat ini tela" diketa"ui #a"+a pengikatan represor pada operator men&ega" RNA polimerase
dari pengikatan promotorsite, !ang terletak
#erse#ela"an dengan urutan operator$ Operator #iasan!a terletak diantara promoter dan gen/gen struktural$ Suatu unit #erse#ela"an !ang lengkap terdiri dari gen struktural, operator dan promoter dise#ut operon )Gardner, ''*$ Per#edaan essensial antar ?indu&i#le operon@ dan ?repressi#le operon@ adala"2 '$ Pada .enomena indu&i#le operon, reseptor #e#as mengikat operator, transkripsi ?turn o..@$ <$ Pada .enomenan repressi#le operon, reseptor #e#as tidak dapat menikat operator$ 8an!a kompleks molekul represor/e.ektor !ang akti. mengikat operator$
3$ Suatu transkripsi mRNA tunggal mem#a+a kode in.ormasi suatu keseluru"an eperon$ adi mRNA pada operon terdiri atas le#i" dari satu gen struktural atau poligenik$ Se#agai &onto", mRNA operon tripto.an pada E. coli adala" makromolekul #esar !ang mem#a+a urutan pengkode lima polipeptida #er#eda !ang spesi.ik$ Ole" karena adan!a ko/trankripsi, semua gen struktural dalam suatu operon terekspresi se&ara terkoordinasi )Gardner, ''*$
".
lac#
Indu$i%!e Operon
a&o# dan %onod mengusulkan model operon !ang se#agian #esar di"asilkan dari "asil studi mereka pada operon lac E. coli$ Operon la& terdiri dari se#ua" promotor, operator dan 3 gen struktural, z , y, dan a, !ang mengkode en7im C/galaktosidase, C/galaktosida permease, dan C/galaktosida transasetilase se&ara #erurutan$ C/galaktosida permease memompa laktosa ke dalam sel, C/ galaktosidase meme&a" laktosa menadi glukosa dan galaktosa$ 5ungsi C/ galaktosida #elum elas$
Gen regulator lac disim#olkan dengan gen i, !ang mengkode suatu represor !aitu 314 asam amino$ (entuk akti. represor lac adala" tetramer !ang mengandung : &opi produk gen i$ Apa#ila tidak terdapat indu&er, represor akan mengikat urutan operator lac, men&ega" polimerase RNA dari pengikatan pada promotor dan transkripsi gen/gen struktural$ (e#erapa molekul produk gen z , y, dan a disintesis dalam keadaan tidak terinduksi, men!e#a#kan ektiitas en7im dalam tingkatan lema"$ Tingkatan aktiitas terse#ut penting untuk induksi operon lac karena induser dari operon, allolaktosa, merupakan deriat dari laktosa dalam suatu reaksi !ang dikatalisis ole" C/galaktosidase$ Segera setela" ter#entuk, allola&tosa mengikat represor, men!e#a#kan represor terlepas dari operator$ 8al terse#ut menginduksi transkripsi gen struktural z , y, dan a )Gardner, ''*$
Gen i lac, operator, dan promotor pada a+aln!a diidenti.ikasi se&ara genetik melalui isolasi dari mutasi dalam genetik unit/unit ini !ang men!e#a#kan unit/unit terse#ut tidak #er.ungsi$ %utasi dalam gen i dan operator seringkali meng"asilkan sintesis laktosa, dengan meman.aatkan en7im$ %utasi ini didesain i/ dan o& , se&ara #erturut$ %utasi i/ dan o& #isa di#edakan tidak "an!a ole" posisi map, tetapi uga ole" kelakuan mereka pada 5@ mero7igot dimana mereka #erlokasi pada kon.igurasi &is dan trans relati. pada mutasi dai struktur gen lac$ (e#erapa mutasi gen i, !ang didesain i /d adala" alel +ild t!pe dominan$ Dominansi ini ruan!a di"asilkan dari ketidakmampuan "eteromultimer )la& operator !ang #er.ungsi se#agai tetromer*, !ang #erisi polipeptida +ild/t!pe dan mutan, !ang mnegikat urutan operator$ %utasi gen i lain, !ang didesain i /s , men!e#a#kan operon la& menadi unindu&i#le$ Ketika dikai se&ara in itro, mutan i/s #entuk tetramer polipeptida !ang mengikat operator la& DNA )Gardner, ''*$
Ketika sel/sel dari E$ &oli ditum#u"kan tanpa C/gala&tosidase, tidak memerlukan C/gala&tosidase, dan sel/sel terse#ut #erisi #e#erapa molekul en7im$ Ketika su#strat !ang &o&ok ditam#a"kan, maka tampak aktiitas en7im &epat dalam #akteri terse#ut$ Dalam
)Sum#er2 Le+in, <44:, p2 <;:*
Gam#ar diatas menunukkan ke#utu"an induksi$ Kontrol transkripsi dari gen la& merespon dengan &epat pada indu&er seperti ditunukkan pada #agian atas gam#ar$ Ketidak"adiran indu&er men!e#a#kan operon ditranskripsi pada leel sangat lema"$ Transkripsi #er"enti segera setela" indu&er dimatikan$ Promotor lac mengandung dua komponen !ang se&ara .ungsional #er#eda2 1. RNA polimerase binding site 2. Suatu binding site untuk protein lain !ang dise#ut 0AP )0ata#olite A&tiator Protein*, !ang #er.ungsi seperti operon lac, !aitu tidak ditranskripsikan apa#ila terdapat glukosa pada konsentrasi !ang &ukup untuk pertum#u"an !ang optimal
DA&TAR PUSTAKA
Gardner, E, $, %i&"ael $ Simmons, D$ Peter Snustad $ ''$ Principles of Genetic Eig"t" Edition. Le+in, ($ <44:$ Genes VIII e!in$ United States o. Ameri&a2 Pearson Prenti&e 8all, PearsonEdu&ation,In&$
