Download Tatap Muka 9 Pengaturan Ekspresi Gen (21

21/24 November 2011
Tatap Muka 9: Heredity IV
XII. Pengaturan Expresi Gen
(Regulation of Gene Expression)
Diambil dari Campbell et al (2009), Biology 8th
Sel secara tepat mampu mengatur ekspresi gen. Sel prokariot dan eukariot mampu
mengatur pola ekspresi gen dalam merespon perubahan kondisi lingkungan. Eukariot
multiseluler mampu mengembangkan dan menjaga berbagai tipe sel dimana tiap-tiap sel
memiliki genom yang sama namun mengexpresikan bagian gen yang berbeda. Sebagai
contoh, lalat buah dewasa berkembang dari sel telur yang difertilisasi kemudian berkembang
menjadi larva. Di dalam tiap tahapan perkembangan tersebut expresi gen secara cermat diatur
agar gen yang benar diexpresikan dalam waktu dan tempat yang tepat.
Dalam bab ini akan dubahas bagaimana bakteria mengatur expresi gen-nya dalam
lingkungan yang berbeda. Pengaturan expresi gen eukariot akan dibahas selanjutnya. Expresi
gen pada eukariot, seperti juga pada prokariot sering kali diatur pada tahap transkripsi, namun
demikian pengaturan pada tahapan lain juga penting. Pada bab ini konsep kunci ditekankan
pada:
1. Bacteria often respond to environmental change by regulating transcription
2. Eukaryotic gene expression can be regulated at any stage.
Kompetensi yang diharapkan dari bab ini adalah:
________________________________________________________________________
1.
2.
3.
4.
5.
Mahasiswa mampu menerangkan konsep operon
Mahasiswa mampu menerangkan pengaturan expresi gen dalam modifikasi kromatin
Mahasiswa mampu menerangkan pengaturan expresi gen dalam transkripsi
Mahasiswa mampu menerangkan pengaturan expresi gen dalam pemrosesan DNA
Mahasiswa mampu menerangkan pengaturan expresi gen dalam transkripsi
pemrosesan dan degradasi protein
6. Mahasiswa mampu menerangkan pengaturan expresi gen dalam degradasi mRNA
_______________________________________________________________________
1. Bacteria often respond to environmental change by regulating transcription
Sel bacteria yang mampu menyimpan energi dan sumber daya memiliki keuntungan
yang lebih besar dari pada sel yang tidak mampu melakukan penyimpanan. Sebagai contoh,
E. coli yang hidup pada lingkungan keras dalam usus manusia menggantungkan kebutuhan
nutrisinya pada kebiasaan makan dari host-nya. Jika lingkungan hidup bakteri kekurangan
asam amino tryptophan yang dibutuhkan bacteria untuk bertahan hidup, maka sel bacteria
tersebut merespon dengan mengkatifkan jalur metabolisme yang mebentuk tryptophan dari
komponen lain. Kemudian, jika host-nya mengkonsumsi makanan yang kaya akan tryptophan
maka sel bacteria menghentikan produksi tryptophan-nya, sehingga menyimpan sumber daya
dan energinya.
149
Pengendalian metabolisme terjad dalam dua tingkatan. Pertama, sel mampu
mengendalikan aktifitas enzim yang telah ada. Kedua, sel mampu mengendalikan produksi
enzim. Dalam hal ini sel dapat mengatur expresi gen yang mengkode enzim. Dalam contoh di
atas, jika lingkungan telah menyediakan tryptophan yang diperlukan oleh sel bakteria maka
sel akan berhenti mensintesa enzim pengkatalisa sintesis tryptofan. Dalm hal ini pengendalian
produksi enzim berlangsung pada level transkripsi. Secara umum, banyak dari gen pada
genom bakteria yang dapat di-off dan di-on sesuai dengan perubahan status metabolisma sel.
Mekanisme dasar dari pengendalian expresi gen pada bakteria dideskripsikan sebagi model
operon.
Operons: The Basic Concept
E. coli mensintesis asam amino tryptophan melalui jalur bertahap 5. Dalam setiap
tahap reaksi metabolisme dikatalisis oleh enzim tertentu. Keseluruhan gen yang mengkode
enzim tertentu dalam setiap tahapan reaksi metabolisme mengelompok dalam kromosom
bakteria E. Coli. Satu promoter bekerja untuk ke lima gen pengkode ke lima enzim dalam
sintesa tryptophan (promoter adalah tempat terikatnya RNA polymerase pada DNA untuk
memulai transkripsi). Transkripsi menghasilkan satu molekul RNA yang panjang pengkode
ke lima polipeptida pembentuk enzim yang bekerja dalam jalur sintesis asam amino
tryptophan. Sel bakteria mampu mentranslasikan satu mRNA ke dalam lima macam
polipeptida secara terpisah karena mRNA dilengkapi dengan kodon ”start” dan ”stop” yang
menandai sekuen dari tiap-tiap polipeptida.
150
Keuntungan dari pengelompokan gen yang memiliki fungsi terkait menjadi satu unit
transkripsi adalah terdapatnya satu ”switch” yang dapat meng-on atau off-kan unit transkripsi;
dengan kata lain kelompok gen tersebut berada pada pengendalian yang terkoordinasi. Pada
saat E. coli harus mensintesa tryptophan sendiri karena medium yang ditempatinya
kekurangan asam amino ini, maka keseluruhan enzim dalam jalur metabolisme tryptophan
akan disintesisi secara bersamaan (dengan meng-on kan ’switch’). Switch tersebut adalah
suatu segmen DNA yang disebut operator. Secara keseluruhan yaitu operator, promoter, dan
gen yang dikendalikan disebut operon.Operon trp adalah salah satu contoh operon pada
genom E. coli (Figure 18.3).
Bagaimanakah operator bekerja? Pada kondisi alamiahnya operon trp berada pada on,
yaitu RNA polymerase terikat pada promoter dan mentranskripsi gen operon. Operon dapat di
off-kan dengan protein yang disebut trp represor. Rpresor terikat pada operator dan
memblokir penempelan RNA polymerase pada promoter sehingga mencegah proses
transkripsi gen.
2. Eukaryotic gene expression can be regulated at any stage
Seluruh organisme baik prokariot maupun eukariot harus mampu mengatur gen mana
yang harus diekspresikan dalam waktu tertentu. Organisme uniseluler dan multiseluler secara
kontinyu mampu meng-on dan meng-off kan gen-nya sebagai respon terhadap signal internal
maupun external. Pengaturan expresi gen juga sangat penting pada spesialisasi sel organisme
multiseluler yang tersusu atas bermacam-macam tipe sel dengan fungsi yang berbeda. Untuk
dapat menjalankan fungsi ini, sel harus mampu menjaga program specific expresi gen dimana
gen-gen tertentu diekspresikan sedangkan gen-gen yang lain tidak.
Differential Gene Expression
Sel manusia pada umumnya hanya mengexpresikan 20% dari gen yang dimilikinya
dalam waktu tertentu. Sel-sel yang sangat terdeferensiasi seperti sel saraf dan sel otot,
mengexpresikan proporsi yang lebih sedikit. Hampir keseluruhan sel dalam suatu orhganisme
memiliki genom identik tetapi bagian gen yang diekspresikan dalam tiap-tiap tipe sel adalah
unik sehingga sel-sel tersebut memiliki fungsi spesifik. Oleh karena itu perbedaan tipe sel
bukan karena perbedaan gen yang ada tetapi karena perbedaan ekspresi gen (ekspresi gen
yang berbeda oleh sel dari genom yang sama).
Genom eukariot dapat mengandung puluhan ribu gen tetapi hanya sedikit DNA (pada
manusia 1.5%) yang mengkode protein. DNA yang lain mengkode produk RNA seperti tRNA
atau sama sekali tidak ditranskripsikan. Figure 18.6 menyajikan ringkasan keseluruhan
proses dari expresi gen pada sel eukariot. Tiap level pengendalian yang disajikan pada gambar
merupakan pengendali potensial dimana expresi gen dapat di on atau off-kan, dipercepat atau
diperlambat.
Dalam keseluruhan organisme, titik pengendalian expresi gen berada pada tahap
transkripsi (pengendalian dalam level transkripsi seringkali merupakan respon dari
lingkungan external sel seperti hormon atau signal molekul lainnya).
151
Regulation of Chromatin Structure
152
Ingatlah bahwa DNA sel eukariot dikemas bersama protein dalam kromatin yang
memiliki unit dasar nukleosom. Struktur organisasi kromatin tidak hanya mengemas DNA
sehingga dapat menempati nukleus tetapi juga membantu mengatur expresi gen dengan
beberapa cara. Salah satunya adalah lokasi promoter gen terhadap nukleosom dan terhadap
lipatan kromosom sehingga mampu menentukan apakah suatu gen dapat ditranskripsikan.
Cara lain adalah bahwa modifikasi kimiawi tertentu terhadap histone dan DNA kromatin
mampu mempengaruhi struktur kromatin dan expresi gen. Modifikasi kimiawi ini dikatalisis
oleh enzim.
Regulation of Transcription Initiation
Enzim yang memodifikasi kromatin merupakan pengaturan awal expresi gen dengan
cara membuat DNA lebih mudah atau lebih sulit diikat oleh mesin pentranskripsi. Ketika
kromatin suatu gen telah secara optimal dimodifikasi untuk diekspresikan, langkah utama
berikutnya adalah inisiasi transkripsi dimana expresi gen diatur. Pengaturan inisiasi
transkripsi sel eukariot melibatkan protein yang terikat pada DNA dan memfasilitasi atau
menghalangi pengikatan RNA polimerase.
Mechanisms of Post-Transcriptional Regulation
RNA Processing
Pemrosesan RNA dalam nukleus dan keluarnya RNA menuju sitoplasma mengalami
pengaturan. Salah satu contoh pengaturan pada tingkat pemrosesan RNA adalah alternative
RNA splicing. Pada pengaturan ini molekul RNA primer yang berbeda dihasilkan dari
transkrip yang sama. Contoh dari alternative RNA splicing ditunjukkan pada Figure 18.11
mRNA Degradation
Life span molekul mRNA dalam sitoplasma merupakan faktor penting dalam
menentukan pola sintesis protein didalam sel. mRNA eukariot multiseluler pada umumnya
hidup selama beberapa jam, hari, bahkan minggu. Sebagai contoh, mRNA untuk polipeptida
hemoglobin dalam sel darah merah yang sedang berkembang memiliki umur panjang dan
ditranslasikan berulang-ulang dalam sel darah merah.
Jalur penghancuran mRNA dimulai dengan pemendekan poly-A-tail secara enzimatik.
Proses ini membantu memicu aksi enzim yang melepaskan 5’cap. Pelepasan 5’cap merupakan
153
langkah penting yang juga diatur oleh sekuen nukleotida tertentu dalam mRNA. Ketika 5’cap
terlepas, enzim nuklease dengan cepat menghancurkan mRNA.
Initiation of Translation
Translasi merupakan alah satu cara pengaturan expresi gen. Pada umumnya
pengaturan expresi gen terjadi pada tingkat inisiasi. Inisiasi translasi dari beberapa mRNA
dapat diblokir melalui pengaturan protein yang terikat pada struktur atau sekuen tertentu pada
ujung 5’ mRNA sehingga menghalangi proses penempelan mRNA pada ribosom.
Translasi dari keseluruhan mRNA di dalam sel dapat diatur secara simultan. Di dalam
sel eukariotik pengaturan ”globa;” pada umumnya melibatkan diaktifkan atau tidakdiaktifakannya satu atau lebih faktor protein yang dibutuhkan untuk mengawali translasi.
Mekanisme ini berperan penting dalam mengawali translasi mRNA yang tersimpan di dalam
sel telur. Sesudah terjadi fertilisasi, translasi dipicu oleh aktifasi faktor inisiasi translasi.
Responnya berupa sintesis protein yang dikode oleh mRNA.
Protein Prosessing dan Degradation
Pengaturan expresi gen yang terakhir terjadi sesudah translasi. Seringkali, polipeptida
eukariot harus diproses untuk menghasilkan molekul protein yang fungsional. Sebagai contoh,
banyak protein yang harus dimodifikasi sehingga dapat berfungsi. Protein regulator pada
umumnya diaktifkan atau di-nonaktifkan dengan penambahan atau pengurangan kelompok
pospat. Protein yang menjadi struktur permukaan sel juga membutuhkan gula dalam
komponen molekulnya. Protein pada permukaan sel dan protein lainnya harus
ditransportasikan menuju ke target agar dapat berfungsi. Pengaturan dapat terjadi pada tiaptiap tahap yang melibatkan modifikasi atau transprtasi protein.
Lama waktu dimana tiap-tiap protein berfungsi diatur oleh mekanisme degradasi
selektif. Berbagai protein seperti cyclin terlibat di dalam pengaturan siklus sel adalah protein
berumur pendek sehingga sel dapat berfungsi sebagaimana mestinya. Untuk menandai
destruksi protein tertentu sel menempelkan protein kecil ubiquitin pada protein yang akan
disegradasi. Komponen protein besar proteasome akan mengenali protein yang ditandai
tersebut kemudian mengurainya (Figure 18.12).
154
RINGKASAN
 Sel mengendalikan metabolisme dengan dengan mengatur aktifitas enzim atau
mengatur expresi gen yang mengkode enzim tersebut. Pada bakteria, gen-gen
seringkali mengelompok ke dalam operon dengan satu promoter yang mampu
melayani beberapa gen yang berdekatan. Sisi operatod dalam DNA mengatur operon
dalam posisi on atau off, sehingga menghasilkan pengaturan gen yang terkoordinasi.
155
156