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
