12. Kontrol Ekspresi Gen

12. Kontrol Ekspresi Gen







12.1
12.2
12.3
12.4
12.5
12.6
12.7
Nukleus sel eukariot
Kontrol ekspresi gen bakteri
Kontrol ekspresi gen eukariot
Kontrol tahap transkripsi
Kontrol tahap pemrosesan
Kontrol tahap translasi
Kontrol pasca translasi: stabilitas protein
12.1 Nukleus sel eukariot
Inti sel




Kromatin
Nukleolus: sintesis rRNA dan pembentukan ribosom
Nukleoplasm
Matriks nukleus: jaringan serat protein
Figure 4-9 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Membran
inti


Membatasi
aliran bahan
antara
nukleoplasma
dengan
sitoplasma
Sel mamalia
mempunyai
beberapa ribu
pori-pori inti

Lamina inti



Figure 12-9 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Memberi dukungan mekanik
Tempat melekat kromatin
Terdiri dari polipeptida lamin
(filamen intermediat)
Kompleks
pori-pori inti




Oktagonal
Nukleoporin: 30
macam protein
Molekul kecil
dapat lewat
dengan difusi
Makromolekul
dapat lewat
dengan bantuan
sistem transport
khusus
Sinyal pada protein

Sinyal lokalisasi inti (Nuclear localization signal /
NLS)


Terdapat pada protein nukleus
Satu atau dua urutan asam amino bermuatan positif


Antigen T SV40: NLS = PKKKRKV
Sinyal ekspor inti (Nuclear export signal / NES)

Terdapat pada protein yang harus keluar dari inti
Importin /β:
reseptor NLS
Figure 12-15 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Figure 4-72 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Nukleosom
Figure 4-23 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Figure 4-24 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Figure 4-31 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Figure 4-55 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Kromatin

Heterokromatin


Konstitutif
Fakultatif




: telomer, sentromer
:
Pada fase perkembangan tertentu
Gen pada heterokromatin menjadi tidak aktif
Penghambatan penyebaran heterokromatin

Boundary element

Kromatin dengan histon H2AZ
Eukromatin
Inaktivasi kromosom X

Barr body



Lyon Hypothesis





Terlihat pada inti sel wanita
Kromosom X yang menjadi heterokromatin
Kromosom X menjadi heterokromatin pada mamalia betina pada
awal perkembangan embrio
Kromosom X mana menjadi heterokromatin (maternal/paternal)
terjadi secara acak, diturunkan ke keturunan sel tersebut.
Kromosom X menjadi aktif lagi (eukromatin) pada sel germinal
menjelang meiosis. Semua kromosom X gamet dalam bentuk
eukromatin.
Inisiasi oleh RNA XIST (17 kb), gen terdapat pada
kromosom X
Dipertahankan oleh metilasi DNA
Modifikasi histon


Metilasi, asetilasi, fosforilasi
Kode histon




Heterokromatin:



Pola modifikasi histon
Pengaruhi kepadatan kromatin
Pengaruhi kemungkinan gen ditranskripsi
Histon H3: K9 termetilasi, histon dapat terikat protein
dengan kromodomain, yang berfungsi membentuk dan
mempertahankan heterokromatin
RNA kecil: mentaget bagian genom yang akan dimetilasi
Eukromatin:

Histon H3: K9 bebas atau terasetilasi
Kariotipe
Figure 4-10 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Kromosom mitotik

Telomer


Pengulangan urutan pendek
(vertebrata TTAGGG) 500 – 5000x
Populasi sel hewan disub-kultur 50-80
kali


Sel mati, telomer tambah pendek
Sentromer


Pengulangan berurutan 171 pb
sepanjang > 500 kb (-satelite DNA)
Histon CENP-A (mengganti histon H3)
Figure 4-20 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Replikasi telomer
Figure 5-41 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Struktur ujung kromosom mamalia
t-loop
Figure 5-42 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Figure 4-50c Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Epigenetik


Penurunan sifat yang tidak dipengaruhi
oleh urutan nukleotida DNA
Pola ekspresi gen dipertahankan pada
sel anak

Modifikasi histon pada sel induk
menentukan modifikasi histon pada sel
anak
Letak kromosom/gen di dalam
nukleus tidak acak


Kromosom kecil dan daerah kaya gen cenderung
berada di tengah-tengah nukleus
Kromosom dapat bergerak acak pada daerah
nukleoplasm yang terbatas
Figure 4-63 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Speckles


Tempat pemyimpanan
faktor-faktor splicing
Badan nukleus lain
(Cajal bodies, GEMS,
PML bodies)

Mengandung
konsentrasi protein
yang tinggi
Figure 4-68 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Matriks nukleus


Jaringan serat-serat
protein di dalam nukleus
Fungsi



Kerangka untuk
mempertahankan bentuk
nukleus
Dasar penyusunan
kromosom
Tempat berbagai aktivitas
di dalam nukleus
12.2 Kontrol ekspresi gen
bakteri
Operon

Beberapa gen di transkripsi dari satu
promoter menjadi satu mRNA yang
panjang
Operon
lac
28
Operon lac:
represor

Kontrol negatif: bila represor terikat DNA (operator), tidak
terjadi transkripsi


Tidak ada laktosa → represor terikat operator → tidak terjadi
transkripsi
Ada laktosa → laktosa terikat represor → represor tidak dapat
terikat operator → transkripsi
Operon
lac:
aktivator

Kontrol positif: bila aktivator terikat DNA, baru terjadi
transkripsi


Tidak ada glukosa → ATP menjadi cAMP→ cAMP terikat CAP
(catabolite activator protein) →CAP terikat DNA →transkripsi
Ada glukosa → CAP tidak dapat terikat DNA → tidak terjadi
transkripsi
Operon
lac
Figure 7-39 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Operon trp (1)
Figure 7-34 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Operon trp (2)
Figure 7-35 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Bagian non-coding
mRNA terikat
metabolit

Figure 7-93a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Menghambat
ekspresi gen pada
terminasi atau
inisiasi translasi
Figure 7-93b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
12.3 Kontrol ekspresi gen
eukariot

DNA dalam nukleus semua sel mengandung
informasi yang lengkap untuk membentuk
individu baru



Kloning hewan
Perbedaan masing-masing sel akibat perbedaan
pola ekspresi gen
Regulasi ekspresi gen eukariot



Tahap transkripsi
Tahap pemrosesan pre-mRNA
Tahap translasi
12.4 Kontrol tahap transkripsi
DNA
microarray

Analisis ekspresi
gen
Figure 8-73 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Figure 8-74 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Faktor transkripsi

Protein yang meregulasi ekspresi gen

Faktor transkripsi umum




Terikat promoter bersama RNA pol
Aktivator transkripsi
Represor transkripsi
Satu gen dapat diregulasi oleh banyak sisi
regulator, masing-masing terikat faktor-faktor
transkripsi berbeda

Kombinasi faktor transkripsi yang tepat
menentukan apakah suatu gen ditranskripsi atau
tidak
Struktur faktor transkripsi

Domain pengikat DNA
Domain aktivasi

Motif





Zinc finger
Helix-loop-helix (HLH)
Leucine zipper
HMG-box
Protein pengikat DNA: zinc
finger
43
Helix-loop-helix
Figure 7-23 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Protein pengikat DNA: leucine
zipper
45
Motif HMG-box



HMG=high mobility group protein
3 heliks- yang membentuk struktur
mirip bumerang
Aktivasi DNA dengan melekukkan DNA
Bagaimana menentukan bagian DNA
mana yang berinteraksi dengan
faktor transkripsi

Deletion mapping
DNA footprinting

Genome-wide location analysis

Deletion mapping: Analisis delesi untuk
identifikasi daerah kontrol transkripsi
48

Kemampuan ditranskripsi hilang atau
menurun drastis bila delesi terjadi pada
bagian:

TATA box


GC box


regulasi inisiasi transkripsi
mempengaruhi frekuensi RNA pol mentranskripsi
CAAT box

mempengaruhi frekuensi RNA pol mentranskripsi
DNA footprinting

DNA yang tertutup
protein tidak dapat
dihidrolisis oleh nuklease
Genome-wide location analysis






Identifikasi semua bagian DNA yang terikat suatu faktor
transkripsi
Sel dibunuh dengan formaldehide dan faktor transkripsi diikatsilang dengan DNA dimana dia terikat
Kromatin diisolasi dan dipatahkan menjadi fragmen pendek
Kromatin diendapkan dengan antibodi terhadap faktor
transkripsi (chromatin immunoprecipitation / ChIP)
Ikatan kromatin-antibodi dilepas
Sequence kromatin ditentukan (misalnya dengan microarray)
Aktivasi gen oleh hormon
AD = domain
aktivasi
DBD = domain
pengikat DNA
LBD = domain
pengikat ligan
Response element glukokortikoid (GRE):
5’-AGAACAnnnTGTTCT-3’
52
Daerah regulasi aktivitas gen


Elemen proksimal: letaknya dekat gen
Elemen promoter distal: letaknya jauh dari
gen


Response element
Enhancer


Panjang 200 pb, banyak sisi pengikatan faktor transkripsi
Insulator : memisahkan promoter-enhancer
suatu gen dengan promoter-enhancer gen
lain
Ko-aktivator


Kompleks protein yang besar yang
mempengaruhi aktivitas faktor transkripsi
Dua kelompok:

Berinteraksi dengan faktor transkripsi umum (GTF)



Interaksi dengan TAF dari TFIID
Mediator: menghubungkan faktor transkripsi pada
enhancer dengan GTF
Berinteraksi dengan kromatin
Kontrol transkripsi eukariot
55
Asetilasi: melonggarkan
struktur kromatin

HAT (histon asetil
transferase)



Menambah gugus asetil
pada histon
Protein memperoleh akses
untuk berinteraksi dengan
DNA
Banyak koaktivator
mempunyai aktivitas HAT
Figure 4-38a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Aktivasi gen




Aktivator terikat DNA
Ko-aktivator ditarik ke kromatin target
Histon diasetilasi
Chromatin remodelling complex terikat


Gunakan ATP untuk mengubah struktur
dan lokasi nukleosom
Faktor transkripsi dan protein-protein lain
dapat terikat pada daerah regulator DNA
Represi transkripsi

Histon deasetilase (HDAC)



Subunit dari kompleks ko-represor
Ditarik ke daerah regulator gen yang akan
diinaktifkan
Histon metil transferase (mis. SUV39H1)

Histon H3 mengalami metilasi pada Lys
Metilasi DNA

DNA metil transferase


Metilasi C5 dari Cytosine pada urutan
CCGG, GCGC, ACGT
Metilasi DNA mempertahankan gen
tetap inaktif

Protein terikat DNA dan menarik kompleks
ko-represor dengan aktivitas HDAC dan
SUV39H1
Perubahan pola metilasi DNA
pada siklus hidup mamalia


Fertilisasi: de-metilasi
Blastosist: metilasi de novo
Genomic imprinting

Ada gen-gen yang aktif atau inaktif selama
perkembangan embrio awal, tergantung gen diwarisi
dari induk paternal atau maternal




Akibat metilasi DNA yang berbeda
Tidak dipengaruhi oleh proses de-metilasi dan re-metilasi
pada embrio
Pada sel germinal, Imprint parental dihapus pada embrio
dan terjadi lagi pada pembentukan gamet.
Misalnya


Gen faktor pertumbuhan fetus IGF2 aktif pada kromosom
parental jantan
Gen saluran kalium aktif pada kromosom parental betina
12.5 Kontrol tahap
pemrosesan
Splicing alternatif


Satu gen dapat mengkode  2 polipeptida
Jalur splicing tergantung tahap perkembangan atau
jenis jaringan
Figure 6-27 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Protein hasil alternative
splicing


Sebagian besar urutan asam-aminonya sama
Berbeda di tempat-tempat tertentu, yang akan
mempengaruhi




Ada sistem regulasinya



Lokasi di dalam sel
Ligan yang dapat diikat
Kinetika aktivitas katalitiknya
Sisi splicing yang lemah
Exonic splicing enhancer sebagai tempat pengikatan protein
regulator pada exon
60% gen manusia mengalami alternative splicing
12.6 Kontrol tahap translasi
Lokasi mRNA di dalam sel
Apakah mRNA ditranslasi atau tidak
Stabilitas mRNA
Lokasi mRNA di dalam sel

Informasi lokasi mRNA ada pada 3’UTR
(zip-codes)



Interaksi dengan protein spesifik
Dibawa oleh protein motor sepanjang
mikrotubul
Diisangkutkan pada mikrofilamen
Kontrol translasi pada sel telur

Sel telur diinkubasi dengan asam amino radioaktif →
tidak terjadi translasi
Sel telur yang telah difertilisasi, diinkubasi dengan
asam amino radioaktif → terjadi translasi
Sel telur yang telah difertilisasi, diinkubasi dengan
asam amino radioaktif dan aktinomisin D (inhibitor
transkriosi) → terjadi translasi
Kesimpulan?

Inisiasi translasi diawali dengan:





Inaktivasi protein inhibitor yang terikat mRNA
Pemanjangan ekor poli(A) pada mRNA
Pengaruh stress pada sel

Contoh stress




Kejutan panas
Infeksi virus
Kehadiran
protein yang
salah melipat
Kekurangan
asam amino

Akibat stress, kinase
protein teraktivasi dan
eIF2 difosforilasi


eIF2 tidak dapat menukar
GDP dengan GTP
Inisiasi sintesis protein
terhenti
Inhibitor translasi

Iron regulatory protein (IRP)


Ferritin mengikat atom Fe di dalam sitoplasma
sel, sehingga sel terlindungi dari keracunan Fe
Aktivitas IRP tergantung [Fe] bebas



[Fe] rendah: IRP terikat IRE (iron response
element) pada 5’UTR mRNA ferritin, ribosom tidak
dapat terikat mRNA
[Fe] tinggi: IRP tidak dapat terikat IRE
miRNA
Kontrol stabilitas mRNA

t ½ mRNA eukariot bervariasi



FOS (terlibat kontrol pembelahan sel): 1030 menit
Hemoglobin, ovalbumin: 24 jam
Stabilitas mRNA dipengaruhi


Panjang ekor poli(A)
Urutan nukleotida pada 3’UTR
Degradasi mRNA
Figure 7-109 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Beberapa sistem kontrol
ekspresi gen yang lain



Translational
frameshifting
Termination codon
read-through
mRNA editing



Alternative
translation initiation
Translational
bypassing
Protein splicing
12.7 Kontrol pasca translasi:
stabilitas protein
Proteasome


Subunit 
Subunit β
Subunit 

Cap


74
Figure 6-89 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Cap
Protein yang terikat ubiquitin di degradasi
dalam proteasome
75
Figure 6-90 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Pengikatan ubiquitin pada protein
76
Figure 6-92b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Penentu stabilitas protein



Asam amino pada ujung N polipeptida
Urutan asam amino di tengah protein
(degron)
Fosforilasi protein