Transfer Informasi Genetik Pada Tingkat Sel
Dwi Ari Pujianto Departemen Biologi Fakultas Kedokteran Universitas Indonesia
Peran Informasi Genetik dalam Kehidupan • Kehidupan tergantung pada kemampuan sel untuk menyimpan (store), Menarik kembali (retrieve), menerjemahkan (translate) informasi genetik (gen) untuk menyelenggarakan dan mempertahankan kehidupan diteruskan dari generasi ke generasi
Gen
Protein
Building block untuk Struktur sel
Enzym Mengkatalisasi Reaksi kimia dlm sel
Meregulasi Ekspresi gen
Komunikasi Antar sel
Struktur DNA memberikan mekanisme penurunan sifat Gen membawa informasi genetik yg harus di copy secara akurat ke generasi berikutnya - Bagaimana fenotip individu bisa ditentukan oleh urutan nukleotida ? - Bagaimana gen bisa secara akurat di-copy ke generasi berikutnya ?
Genom
Akurasi replikasi untuk kelangsungan hidup individu
-Tingkat mutasi yang rendah 1 dalam 109 baik pada sel germinal maupun sel somatis - Adanya mekanisme DNA repair pada sel sebelum proses replikasi
Germ sel Penerusan sifat
Sel somatis proteksi thd penyakit
Mekanisme Replikasi DNA Pasangan basa (Base-pairing) mendasari proses replikasi DNA dan juga proses repair DNA template dari untai DNA asal membuat komplemennya terbentuk new strand Enzim yang mengkatalisa pembentukan untai baru DNA DNA polymerase Substrat dari DNA polymerase adalah deoxyribonucleoside triphosphates
Replikasi DNA dari aspek kimia
Replikasi DNA semikonservative
Proses Replikasi DNA bersifat asimetris : Replication Fork
Daerah replikasi yang bergerak sepanjang DNA parental Replication fork Komplek multienzim yang mengandung DNA polymerase untuk mensintesa DNA untai baru
• Enzim polimerase hanya bisa mengkatalisasi polimerasi DNA dari 5’ 3’ DNA baru disintesa dari arah 5’-3’ secara continue Leading strand
Sedangkan sintesa DNA pd strand yang berlawanan, terjadi secara discontinue Lagging strand. Fragment yang dihasilkan oleh replikasi pada lagging strand disebut Okazaki fragments
Structure of a DNA replication fork
Protein-protein lain yang terlibat replikasi DNA
Untuk leading strand primer diperlukan hanya pada awal replikasi, sedangkan pada lagging side, setiap DNA polimerase selesai satu fragment okazaki, harus mulai lagi sintesa fragment baru.
Mekanisme untuk pembuatan primer khusus pada lagging side melibatkan enzim DNA primase yang menggunakan ribonukleoside triphosphat untuk mensintesa RNA primer pada lagging side Untuk menyambung fragment Okazaki DNA ligase DNA helicase = membuka (unwind) DNA double helix, supaya deoxyribonucleoside bisa berpa Sangan dengan DNA single strand Single-strand DNA-binding (SSB) proteins (helix-destabilizing proteins) terikat dengan erat pada single-stranded DNA dan membantu menstabilkan strand yang sudah terbuka tsb Mencegah pembentukan short hairpin helix yang mengganggu kerja DNA polymerase
Sliding clamp menjaga polymerase tetap melekat pada DNA Clamp loader menghidrolisis ATP pada proses pembentukan clamp
Synthesis DNA fragments on the lagging strand
The effect of single-strand DNA-binding protein (SSB Protein) on the structure of single stranded DNA
Replication
Transcription and translation
Jalur dari DNA ke Protein: DNA RNA (Transkripsi) RNA Protein (Translasi)
Transkripsi DNA Transkripsi = proses meng-copy bagian tertentu dari DNA (gen) ke dalam RNA sekuen Perbedaan DNA vs RNA DNA
RNA
-Gula = Deoxiribose -Adenin (A) -Guanine (G) -Cytosine (C) -Thymine (T)
Gula Ribose Adenin (A) Guanin (G) Cytosine (C) Uracil (U)
DNA A G C T A A C C T G C C A T DNA T C G A T T G G A C G G T A
DNA A G C T A A C C T G C C A T RNA U C G A UU G G A C G G U A
Struktur DNA Di dalam sel selalu double stranded helix RNA Single stranded
Transkripsi menghasilkan RNA yang berkomplemen dengan satu strand DNA
Enzyme yang berperan dalam proses transkripsi RNA polymerase mengkatalisa pembentukan ikatan phosphodiester yang menghubungkan RNA nukleotida sehingga menjadi rantai linier Substrat RNA polymerase ATP, CTP, UTP, dan GTP
RNA polymerase dlm proses transkripsi
Sel menghasilkan beberapa tipe RNA
Messenger RNA (mRNA) di-copy dari DNA untuk sintesis protein Ribosomal RNA (rRNA) merupakan unsur utama ribosom Transfer RNA (tRNA) Pembawa asam amino (adaptor) yang kemudian di-inkorporasikan ke dalam protein
Small nuclear RNA (snRNA) teribat dlm splicing pre-mRNA menjadi mRNA Micro RNA (miRNA) & small interfering RNA (siRNA) regulator gene expression pada eukariota
Sebagian besar RNA di dalam sel adalah rRNA mRNA hanya 3-5 % dari total RNA pada tipikal sel mammalia
Siklus transkripsi pada prokariota
RNA polymerase Pada Eukariotik
RNA Polymerase memerlukan General Transcription Factors
Eucaryotic VS Procaryotic 1. Eucaryotic RNA Polymerases require many additional proteins, collectively called general transcrition factors 2. Eucaryotic transcription initiation must deal with the packing of DNA into nucleosomes and higher-order forms of chromatin structure. This features absent in bacterial chromosome
Function of General Transcription Factors
• Help to position RNA polymerase correctly at the promoter • Help in pulling apart the two strands of DNA to allow transcription to begin • Release RNA polymerase from promoter into the elongation mode once transcription has begun
General Transcription Factors at Work
Pada Eukariota, proses transkripsi berkaitan erat dengan pemrosesan RNA
RNA cap -Membedakan mRNA dari tipe RNA yg lain -Membantu RNA untuk diproses lebih lanjut dan di eksport keluar nukleus -Berperan dalam proses translasi di sitosol
RNA ke Protein : Translasi
-Terdapat 4 nukleotida pada mRNA untuk mengkode 20 asam amino -Proses translasi dari mRNA ke urutan asam amino difasilitasi oleh Genetic Code dimana urutan nukleotida pada mRNA dibaca dalam group yg terdiri dari 3 nukleotida
Codon Setiap kodon mengkode 1 asam amino atau “STOP” translasi Pada prinsipnya satu mRNA bisa ditranslasi menurut 3 reading frame tergantung dimana proses translasi dimulai hanya satu reading frame yg menghasilkan protein yang dibutuhkan Translasi pada mRNA codon diperantarai oleh tRNA yang telah membawa asam amino sesuai dengan yang tersandi pada codon Bagian tRNA yang berkomplemen dengan codon anticodon
The Genetic Code
start
tRNA molecule
Peran enzyme aminoacyl-tRNA synthetases
Mengikat (secara kovalen) asam amino ke ujung 3’ tRNA Satu asam amino satu enzim (20 synthetases) Reaksi pengikatan ter-couple dengan reaksi pembebasan energi hydrolisis ATP Menghasilkan ikatan berenergi tinggi antara tRNA dan asam amino Energi ikatan ini selanjutnya digunakan dalam sintesa protein yakni Menghubungkan asam amino dalam rantai polipeptida
RNA Message Is Decoded in Ribosomes -Protein sintesis terjadi di dalam ribosom -Ribosom disusun lebih dari 50 protein (ribosomal protein) dan beberapa molekul RNA (rRNA) -Satu sel biasanya mengandung jutaan ribosom dalam sitoplasma -Ribosome terdiri atas 2 subunit Small & large -Small subunit berfungsi untuk menyediakan tempat (framework) dimana tRNA bisa secara tepat berpasangan dengan kodon yang ada pada mRNA -Large subunit Berfungsi untuk mengkatalisasi pembentukan ikatan peptida yang menghubungkan asam amino menjadi rantai polipeptida -Dalam keadaan inaktif kedua subunit terpisah kedua subunit bergabung pada 5’ end mRNA untuk memulai sintesa protein -Dalam ribosom terdapat 4 binding site untuk molekul RNA = - satu untuk mRNA - tiga (A-site, P-site, E-site) untuk tRNA
Ribosomes in the cytoplasm of eucaryotic cell
RNA subunit
Binding sites on a ribosom
Enzyme yg berperan dalam Sintesa protein peptidyl transferase
From DNA to Protein
Gen bisa terekspresi dengan efisiensi yang berbeda
Changes in gene expression Genome sequence is the same
Different Cell Types Synthesize Different Sets of Proteins Many processes are common to all cells RNA polymerases, DNA repair enzymes etc Some proteins are abundant in the specialized cells e.g. Hemoglobin Gene expression varies from one cell type to another Gene expression is regulated by many steps after transcription alternative splicing, PTM etc
External Signals Can Cause a Cell to Change the Expression of Its Genes • General feature of cell specialization Liver cell + glucocorticoid hormone production of several specific proteins is dramatically increased Enzyme tyrosine aminotransferase (convert tyrosine glucose)
• Different cell types often respond differently to the same extracellular signal Fat cells + glucocorticoid reduce production of tyrosine aminotransferase
Regulation of gene expression When and how often a given gene is transcribed (Transcriptional control) RNA processing control splicing Which mRNAs are exported to cytosol (RNA transport and localization control) Which mRNAs are translated by ribosome (Translation control) Selectively destabilizing mRNA in the cytoplasm (mRNA degradation control) Selectively activate, degrade or locating specific protein after they have been made (Protein activity control)
Six steps at which eukaryotes gene expression can be controlled
How does a cell determine which gene to transcribe • Transcription of each gene is controlled by a regulatory region of DNA near the site where transcription begin
• Short stretches of DNA of defined sequence • Gene regulatory protein = Transcription factor
DNA showing the major and minor grooves
The binding of a gene regulatory protein to the major groove of DNA
Transcription initiation by RNA polymerase II in a eukaryotic cell
References Albert B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Robert K, Walter P. Molecular Biology of The Cell. 5th Ed (2008). Garland Science, New York. Snustad DP, Simmons MJ. Principles of Genetics. 5th Ed (2010). John Wiley & Sons, Inc.
