EKSPRESI
GEN PROKARIOTIK DAN EUKARIOTIK
Ekspresi gen merupakan proses penerjemahan informasi genetik
melalui transkripsi gen dan translasi mRNA menjadi protein. Gen diekspresikan
melalui pembentukan protein atau enzim yang berperan dalam proses metabolisme.
Ekspresi gen dapat diatur baik diekspresikan atau tidak. Ekspresi gen yang
dikodekan dapat dihentikan ketika produk metabolisme di dalam sel sudah
mencapai jumlah yang mencukupi. Ekspresi gen dimulai dari aktivitas RNA
polimerase dalam mentranskrip DNA. Pengikatan RNA polimerase ke DNA terjadi di
promotor. Promotor berinteraksi dengan RNA polimerase dan menginisiasi
transkripsi dengan cepat. Transkripsi berjalan dari 3’à5’ DNA template atau
mRNA disintesis dari 5’à3’. Transkripsi berakhir ketika RNA polimerase mencapai
daerah terminasi. Kemudian mRNA keluar dari DNA menuju ribosom dalam sitoplasma,
sehingga diperoleh 1 pita mRNA lengkap. Satu mRNA dapat mengkode 1 atau lebih
polipeptida. Mekanisme pengaturan ekspresi gen disebut regulasi ekspresi gen.
Regulasi suatu gen berbeda-beda, ada gen yang terus diekspresi (Housekeeping
Gene) dan ada gen yang hanya diekspresikan pada tempat dan saat tertentu
saja (Luxuries Gene). Regulasi ekspresi gen sangat penting bagi
jasad hidup karena tanpa sistem pengendali yang efisien, sel akan kehilangan
banyak energi. Berdasarkan sel penyusunnya regulasi ekspresi gen dapat
dikelompokkan menjadi regulasi ekspresi gen pada prokariotik dan regulasi ekspresi gen pada eukariotik.
Pada prokariotik, pengendalian ekspresi gen hanya terjadi pada proses
transkripsi sedangkan pada eukariotik pengendalian ekspresi gen terjadi mulai
dari transkripsi sampai pasca translasi.
A.
Regulasi
Ekspresi Gen pada Prokariotik
Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya,
pengendalian ekspresi gen pada prokariotik hanya terjadi pada proses
transkripsi. Beberapa gen
dapat berada dalam satu unit transkripsi. Satu unit transkripsi diawali dengan promotor dan diakhiri dengan
terminator. Beberapa gen yang berada dalam satu unit transkripsi dinamakan operon. Pada
prokariot telah ditemukan adanya beberapa operon yang diantaranya adalah operon
laktosa
(operon lac) dan operon
triptofan (operon trp). Pada
operon lac
ekspresi gen yaitu
dengan mengatur interaksi antara promotor dengan
enzim transkriptase (pengendali transkripsi). Pada operon trp ekspresi diatur
dengan cara menghentikan transkripsi bila produk trankripsi, yaitu
triptofan, sudah mencapai
kuantitas yang dibutuhkan. Regulasi
operon laktosa pada bakteri E.
coli dapat dijelaskan pertama
kali oleh Jacob dan
Monod
dengan pengertian sekelompok gen yang diapit secara bersamaan oleh sepasang
promotor dan terminator. Laktosa yaitu gula yang tersusun atas glukosa dan galaktosa. Laktosa dapat diuraikan menjadi glukosa dan
galaktosa dengan bantuan enzim β−galaktosidase. Bakteri E. Coli dalam hidupnya dapat memanfaatkan baik laktosa maupun
glukosa tergantung gula mana yang tersedia di lingkungan. Bakteri E. Coli mempunyai kemampuan mensintesis
β−galaktosidase sehingga bila laktosa yang dimanfaatkan sebagai sumber karbon maka
bakteri tersebut akan mampu mengubah laktosa menjadi glukosa dan galaktosa.
Namun bila tersedia laktosa dan glukosa maka bakteri akan memilih glukosa
sebagai sumber karbon, karena glukosa dapat langsung dimanfaatkan dalam proses metabolisme.
Bakteri E. Coli mampu mengatur
ekspresi gen β−galaktosidase disintesis atau tidak, sesuai dengan pilihan
sumber karbon yang tersedia yaitu laktosa atau glukosa. Apabila yang tersedia
glukosa maka β−galaktosidase tidak disintesis. Pengaturan ekspresi operon
laktosa dilakukan oleh suatu protein regulator yang akan berinteraksi dengan promotor.
Protein regulator tersebut akan menentukan inisiasi translasi yang
dilakukan oleh transkriptase. Protein pengatur dihasilkan oleh
gen regulator, yaitu
gen yang produk
ekspresinya berperan mengatur ekspresi
gen lain. Pada
operon laktosa terdapat
dua gen regulator yaitu gen lac-i
dan gen crp. Gen lac-i berhubungan dengan kehadiran laktosa, sedangkan
gen crp berhubungan
dengan kehadiran glukosa.
Gen yang diatur tersebut
dinamakan gen struktural, sebagai contoh gen lac-Z, lac-Y, dan lac-A pada
operon laktosa. Jadi
gen regulator berperan
mengatur ekspresi gen struktural. Gen lac-i
akan menghasilkan suatu
polipeptida, yang kemudian
setiap empat polipeptida akan membentuk satu molekul protein tetramer
yang berperan sebagai regulator. Dalam proses regulasi protein tetramer ini
akan menempel pada suatu wilayah promotor yang disebut operator. Penempelan itu
terjadi karena ada kecocokan tertentu antara runtunan basa operator dengan
protein regulator. Akibat adanya
protein regulator yang
menempati wilayah operator
maka transkriptase tidak dapat
melakukan inisiasi translasi,
sehingga gen-gen yang
terdapat di belakang promotor
menjadi tidak terekspresi.
Protein regulator seperti
di atas bersifat menghalangi atau
menekan terjadinya transkripsi, maka disebut represor. Lawan sifat
dari represor disebut
aktivator, yaitu mendorong terjadinya ekspresi gen. Oleh
karena itu diperlukan laktosa agar terjadi ekspresi operon laktosa
dan sintesis β−galaktosidase. Laktosa
dapat melepaskan protein regulator dari promotor agar terjadi ekspresi gen lac-Z, untuk
menghasilkan
β−galaktosidase. Laktosa yang
diambil oleh bakteri berinteraksi dengan protein regulator dan berasosiasi
sehingga dapat mengubah konfigurasi molekul protein regulator. Perubahan
konfigurasi pada protein represor
menyebabkan protein tersebut
menjadi tidak mampu berasosiasi
dengan operator. Dengan tidak adanya represor pada promotor maka transkriptase
menjadi tidak terhalang untuk melakukan inisiasi transkripsi, dan terjadi
ekspresi gen-gen pada operon laktosa.
Selain
laktosa, ekspresi operon
lac juga diatur
oleh keberadaan glukosa. Bila bakteri telah mengkonversi laktosa menjadi
glukosa. Proses regulasi ini
melibatkan tiga komponen yaitu
glukosa, cAMP (cyclic AMP),
dan CAP (protein
aktivator/ represor). CAP merupakan
protein yang berperan mengaktifkan enzim transkriptase, protein ini
disandikan oleh gen regulator crp sehingga terjadi transkripsi operon laktosa. Pada
operon trp terdapat lima gen struktural yaitu trp-E, trp-D. trp-C, trp-B, dan
trp-A, dan satu gen pengawal yaitu trp-L yang berfungsi dalam regulasi. Gen trp-E
sampai trp-A keseluruhannya menyandikan enzim yang berperan dalam satu lintasan metabolisme
triptofan. Regulasi ekspresi
operon trp berbeda
dengan regulasi operon
lac; pada operon lac
regulasi dilakukan pada
tingkat inisiasi atau pada
tingkat promotor, sedangkan regulasi operon trp berlangsung pada tingkat RNA
hasil transkripsi. Pada operon trp
satu gen pengawal
(trp-L) yang terletak
tepat di belakang promotor, berfungsi
sebagai regulator. Regulasi berlangsung pada saat enzim
transkriptase berada pada ruas trp-L, yang akan menentukan apakah transkripsi
akan berhenti pada trp-L atau dilanjutkan ke ruas gen yang ada di belakangnya
(trp-E sampai trp-A). Dalam keadaan sel kekurangan triptofan dengan adanya
ekspresi gen-gen pada operon trp
maka akan terjadi
peningkatan kuantitas triptofan
dalam sel. Kuantitas tiptofan
dalam sel akan mengendalikan ekspresi gen-gen pada operon ini, yaitu pada
konsentrasi tertentu triptofan akan menghentikan ekspresi gen-gen tersebut.
Regulasi oleh triptofan berhubungan dengan ruas trp-L. Pada ruas trp-L terdapat
dua kodon yang berhubungan dengan asam amino triptofan yaitu kodon yang
terletak pada basa 54 sampai 59. Saat transkripsi sedang berjalan pada ruas gen trp-L,
RNA yang dihasilkan
transkripsi tersebut juga
mulai dibaca oleh ribosom. Ribosom akan berjalan membaca
kodon-kodon yang terdapat pada RNA dan
merangkaikan berbagai asam
amino yang sesuai. Pergerakan ribosom akan berjalan
lancar selama tersedia amino-asil-tRNA yang cocok dengan kodon yang dibaca
ribosom tersebut. Pada saat kuantitas triptofan dalam sel
belum mencukupi tidak
akan terbentuk amino-asil- tRNA, sehingga
ketika ribosom mencapai
kodon trp, basa
54 sampai basa 59,
tidak akan ada
tRNA yang berasosisasi
pada ribosom, dan ribosom
akan berhenti pada
kodon tersebut. Ketika
jumlah triptofan sudah mencukupi maka
akan terbentuk amino-asil- tRNA dan ribosom
dapat membaca kedua kodon
trp tersebut dan
melanjutkan translasi kodon-kodon
selanjutnya. Berhenti atau berjalannya ribosom pada kodon trp akan menentukan
apakah proses transkripsi operon trp akan berjalan masuk ke gen trp-E atau
berhenti pada ruas gen trp-L. Keberadaan
ribosom pada basa 54-59
(pada trp-L) akan
menentukan apakah transkripsi
operon trp akan berhenti pada ruas trp-L atau berlanjut
ke trp-E. Bila kuantitas triptofan di dalam sel belum mencukupi maka tidak akan
terbentuk amino-asil- tRNA, sehingga ribosom akan berhenti pada basa 54-59,
ruas-2 akan terbebas dari ribosom sehingga dapat berpasangan dengan ruas-3
(pasangan 2-3). Pada kondisi ini tidak akan terbentuk pasangan 3-4,
sehingga transkripsi tidak berhenti pada
ujung trp-L; melainkan
terus dilanjutkan ke
ruas gen trp-E
dan seterusnya. Ruas 3 dan ruas 4 merupakan bentuk dari terminator dari
gen trp-L, sehingga pasangan 3-4 merupakan signal akhir transkripsi. Bila triftofan
dalam sel telah
mencukupi maka ribosom
tidak akan berhenti pada
basa 54-59, karena
akan tersedia amino-asil- tRNA, ribosom
akan bergerak masuk ke ruas-2. Akibat
kehadiran ribosom pada
ruas-2 maka ruas-3
terbebas dari perpasangan dengan
ruas-2, dan akan
berpasangan dengan ruas-4
membentuk pasangan 3-4 atau struktur jepit rambut. Dalam kondisi ini
maka transkripsi akan berakhir pada ujung
trp-L, sehingga ruas
trp-E dan yang
lainnya tidak akan tertranskripsikan.
B.
Regulasi
Ekspresi Gen pada Eukariotik
Bagian terbesar
dari eukariot adalah mahluk bersel banyak. Regulasi ini berjalan melalui proses
diferensiasi sel. Semua mahluk hidup termasuk manusia berasal dari satu sel,
sehingga semua sel mempunyai kandungan genetik yang sama. Melalui proses
diferensiasi dihasilkan berbagai jaringan dan organ yang mempunyai bentuk dan
fungsi yang berbeda-beda. Dalam suatu organ disintesis suatu produk, sedangkan
pada organ lain disintesis produk yang lain. Jadi walaupun semua sel tersebut
mempunyai kandungan genetik yang sama, ternyata terdapat gen-gen yang
diekspresikan hanya pada organ tertentu. Regulasi ekspresi gen berjalan mulai
dari tingkat inisiasi ekspresi gen. Seperti
pada prokariot, adanya sejumlah protein
regulator yang mengatur
ekspresi gen dengan cara berinteraksi
dengan ruas DNA. Pada euakriot tidak dikenal adanya operon, setiap gen masing-masing
mempunyai promotor dan terminator. Pada
eukariot terdapat lebih
banyak protein dan lebih
banyak ruas DNA yang terlibat
dalam regulasi, protein- protein ini disebut faktor
transkripsi. Protein-protein tersebut lebih
banyak berperan sebagai aktivator
daripada represor. Represor berperan menghambat atau mencegah terjadinya
transkripsi. Aktivator akan berinteraksi dengan ruas-ruas DNA yang disebut ruas
pemacu (enchancer). Ruas pemacu mempunyai jarak yang cukup jauh dari promotor. Koordinasi
ekspresi gen bergantung pada interaksi antara ruas-ruas pemacu dengan gen-gen
yang tersebar. Sejumlah faktor transkripsi yang mengenali runtunan
basa dari ruas
tersebut akan menempel pada
ruas-ruas tersebut dan secara serempak menjalankan transkripsi dari
gen-gen tersebut. Pada mRNA sebagai
molekul hasil transkripsi
terdapat ruas intron
dan ekson. Bagian intron akan
dipotong dan hanya bagian ekson yang dipertahankan untuk membentuk mRNA. Pemilihan
ruas intron dan ekson merupakan salah satu cara regulasi. Dengan cara memilih
ruas mRNA yang akan diambil (sebagai ekson) atau akan dibuang
(sebagai intron), maka
dari satu ruas
gen yang sama
dapat disandikan dua jenis mRNA atau polipeptida. Setelah mRNA
masuk kedalam sitoplasma
akan terjadi proses
translasi menghasilkan
protein. Sebelum menjadi
protein aktif atau
fungsional, polipeptida hasil transkripsi akan
mengalami suatu pemrosesan
agar dapat membentuk struktur
fungsionalnya. Pemrosesan ini melibatkan pemotongan rantai polipeptida atau
penambahan asam amino baru atau senyawa lain seperti karbohidrat pada rantai
polipeptida.
DAFTAR PUSTAKA
Anonim. Bahan Kuliah Biologi TPB-IPB (Online). Diakses
di https://web.ipb.ac.
id/-tpb/files/materi/genetika/regulasi/menuregulasi.html.
Diakses 26
November
2015 pukul 19.51 WIB
Jusuf, Muhammad.
Regulasi Ekspresi Gen (Online). Diakses
di https://web.ipb.ac.
id/-tpb/files/materi/genetika/regulasi/regulasitextpdf.pdf
Diakses 24
November
2015 pukul 19.45 WIB
Maheru, Wijaya. Regulasi Transkripsi (Online). Diakses
di
https://www.academia.edu/9910708/Regulasi_Transkripsi.
Diakses 26
November
2015 pukul 20.35 WIB
Tidak ada komentar:
Posting Komentar