Ekspresi Enzim Glikosiltransferase

Ekspresi Enzim Glikosiltransferase Streptococcus mutans dan
Lactobacillus reuteri ditinjau secara molekuler
Oleh:
Mieke Hemiawati Satari
Yetty Herdiyati S
FAKULTAS KEDOKTERAN GIGI
UNIVERSITAS PADJADJARAN
BANDUNG
2011
MEKANISME PRODUKSI ENZIM BETALAKTAMASE BAKTERI GRAM
POSITIF DAN GRAM NEGATIF
Mieke Hemiawati Satari
Bagian Oral Biologi Microbiologi
Fakultas Kedokteran Gigi Universitas Padjadjaran
Abstrak
Bakteri Gram positif maupun Gram negatif menghasilkan enzim
betalaktamase yang diproduksi secara ekstraseluler . Produksi enzim betalaktamase
ini berbeda antara bakteri Gram positif yang bersifat induksi dan Gram negatif yang
bersifat kontitutif . Produksi enzim betaktamase pada bakteri Gram positif
berlangsung sangat lambat, sintesis mencapai puncaknya setelah 2-2,5 jam setelah
proses induksi dan bertahan pada fase tertentu yaitu stasioner selama 1-3
jam.Produksi enzim betalaktamase mencapai empat kali lebih banyak dibandingkan
dengan enzim betalaktamase yang dihasilkan oleh bakteri Gram negatif yang bersifat
konstitutif. Produksi enzim betalaktamase yang bersifat konstitutif hanya mencapai
produksi basal.
Secara genetik produksi enzim betalaktamase ini di perantarai oleh gen
enzim pembentuk enzim betalaktamae yang membentuk suatu operon. Gen ini dikode
baik di kromosom maupun diplasmid baik pada bakteri Gram positif maupun Gram
negatif. Gen pembentuk enzim betalaktamase pada bakteri Gram positif mengandung
tiga gen yaitu blaZ (gen struktur), blaI(gen repressor) dan blaRI (gen regulator).
Ketiga gen ini memiliki dua promoter, sedangkan pada Gram negatif dikenal ampG
(gen penghantar sinyal),ampC(gen sruktur),amp R,ampD dan ampE
(protein
regulator). Gen ini membentuk suatu operon dengan satu promoter. Gen gen inilah
yang berperan pada pembentukkan enzim betalaktamase.
Kata kunci: enzim betalaktamase, bakteri Gram positif, bakteri Gram negatif.
MECHANISM OF BETALAKTAMASE ENZYME PRODUCTION IN GRAM
POSITIVE AND NEGATIVE
Abstract
Both Gram positive and negative bacteria produce betalactamase enzyme
extracellularly. This betalactamase enzyme production is different between Gram
positive bacteria which is inductive in nature and Gram negative bacteria which is
constitutive. The production of betalactamase enzyme in Gram positive bacteria is
very slow with the synthesis peak reached after 2-2.5 hours of the induction process.
The product is then maintained in a certain phase, i.e. stationary phase, for 1-3
hours. The production of betalactamase enzyme in these bacteria is four time higher
than the betalactamase enzyme produced by Gram negative bacteria that use
constitutive way of production. The betalactamase enzyme production through
constitutive way only reaches basal production.
Genetically, this betalactamase enzyme production is mediated by the the
betalactamase enzyme forming genes that form an operon. These genes are coded
both in chromosomes and plasmids of Gram positive and negative bacteria. The
betalactamase enzyme forming genes in Gram positive bacteria include three genes,
i.e. blaZ (structural gene),blaI (repressor gene) and blaRI (regulator gene). These
three genes have two promoters. In Gram negative bacteria, ampG (transmitter
gene), ampC (structural gene), amp R, ampD and ampE (regulator protein). These
genes form an operon with one promotor. These genes are the ones that play a role in
betalactamase enzyme formation.
Keywords: betalactamase enzyme, Gram positive bacteria, Gram negative bacteria.
PRAKATA
Bismillahirrahmannirrahiim
Puji syukur ke hadirat Allah SWT, penulis dapat menyelesaikan naskah
ilmiah ini dan dipresentasikan di Bali Dance 2011-Bali. Saya ucapkan terimakasih
kepada Prof. Dr. Eky S. Soeria Soemantri, drg.,Sp. Ort, sebagai Dekan Fakultas
Kedokteran Gigi Universitas Padjadjaran untuk menyediakan kesempatan untuk
melakukan naskan dan staf akademik, Murnisari Darjan, drg.,M.Kes. Sebagai Kepala
Departemen Oral Biologi, dan panitia Bali Dance 2011 – Bali Dental Science &
Exhibition, 17 September 2011 in Ballroom Inna Grand Bali Beach.
Semoga Tuhan memberkati kalian semua atas dukungan dan bantuan. Dan
untuk Alloh SWT yang membuat segala sesuatu mungkin. Semoga naskah ini
bermanfaat bagi kita semua.
Bandung, September 2011
Penulis
DAFTAR ISI
Hal
ABSTRAK …………………………………………………………………………………………………….................
ii
ABSTRACT ……………………………………………………………………………………………………...............
iv
KATA PENGANTAR ..........................................................................................................
v
DAFTAR ISI ......................................................................................................................
vi
DAFTAR GAMBAR ...........................................................................................................
vii
BAB I
PENDAHULUAN ..........................................................................................
1
Latar Belakang ............................................................................................
1
BAB II
Peranan Gen Struktur, Gen Regulator dan Gen Represor pada Produksi
Enzim Beta- laktamase ...............................................................................
3
BAB III
Mekanisme Produksi Enzim Betalaktamase ...............................................
6
BAB IV
KESIMPULAN ..............................................................................................
10
BAB V
DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................
11
DAFTAR GAMBAR
No Gambar
Teks
Hal
3.1
Mekanisme induksi betalaktamase pada E. coli
6
3.2
Mekanisme regulasi induksi betalaktam S.aureus
8
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar belakang
Enzim betalaktamase adalah suatu enzim yang dihasilkan secara ektraseluluer
bakteri oleh beberapa bakteri baik Gram positif maupun Gram negative. Enzim ini
akan berdifusi disekitar sel bakteri, sehingga akan menghambat kerja antibiotic yang
jauh dari tempat infeksi.
Enzim ini memiliki kemampuan untuk menginaktivasi
golongan antibiotik betalaktam yaitu dengan memecahkan cincin betalaktam
sehingga bakteri ini tidak dapat berikatan dengan reseptor pada membrane bakteri
sehingga bakteri ini akan tetap hidup.(1)
Secara genetik enzim ini dikode oleh gen yang terletak baik di kromosom
maupun di plasmid. Pada bakteri Gram positif enzim betalaktamase ini dihasilkan
secara induksi, proses ini berlangsung sangat lambat , sintesis betalaktamase
mencapai puncaknya setelah 2-2,5jam setelah induksi dan bertahan pada suatu fase
tertentu yaitu stationer selam 1-3jam. Produksi enzim ini mencapai empat kali lebih
banyak dibandingkan dengan yang dihasilkan oleh bakteri Gram negatif yang bersifat
konstitutif.
Produksi enzim
betalaktamase
yang
bersifat
konstitutif
hanya
menghasilkan produknya secara basal.(2,3).
Produksi enzim betalaktamase diatur oleh gen yang terdiri dari gen struktur
yang mengkode enzim betalakamase,gen regulator yang mengkode protein yang
meregulasi produksi enzim betalaktamase dan gen repressor yang menghentikan
produksi enzim betalaktamase.(4,5)
Pada beberapa bakteri seperti S.aureus , enzim betalaktamase yang dihasilkan
tergantung dari galur, kondisi dan kultur pertumbuhan . Ada kalanya enzim yang
dihasilkan hanya 10%-60% yang di sekresikan ke media sedang sebagian produk
terikat pada membran luar dari bakteri tersebut hingga sukar dipurifikasi, sedangkan
enzim betalaktamase yang ada pada media akan menghambat kerja antibiotik yang
terdapat jauh dari tempat infeksi. Dalam kondisi optimal satu molekul enzim ini akan
menginaktifasi 100.000 molekul cincin betalaktam setiap menitnya. (6,7,8)
Enzim betalaktamase mempunyai kemampuan menghidrolisis penisilin G,
ampisilin< amoksilin dan karboksi penisilin, sedangkan untuk golongan isozaksolil
seperti oksasilin,kloksasilin dan nafsilin menjadi tidak efektif demikian pula terhadap
cephalosporin.(1,9)
BAB II
2.1 Peranan Gen Struktur, Gen Regulator dan Gen Represor pada Produksi
Enzim Beta- laktamase
Secara
ntibio, enzim betalaktamase pada bakteri Gram positif dikode oleh
gen yang berlokasi baik di kromosom maupun di plasmid. Gen yang berperan pada
sintesis enzim betalaktamase terdiri dari blaZ yang mengekspresikan enzim
betalaktamase yang sebagian besar disekresikan ke media ekstrasmeskipun
sepertiganya melekat pada
ntibiot bakteri . dari ntibiotic betalaktam
(10)
Produksi
enzim betalaktamase pada bakteri Gram positif terjadi karena adanya proses induksi
dari
ntibiotic betalaktam sedangkan pada bakteri Gram
ntibiot enzim
betalaktamase yang dihasilkan secara terus menerus tanpa adanya induksi
Selain blaZ ada beberapa gen yang akan meregulasi sintesis betalaktamase
pada bakteri Gram positif yang diwakili oleh S. aureus dalam hal ini setidaknya ada
tiga gen yang terlibat dalam pengaturan sintesis betalaktamase pada S. aureus yaitu 1)
blaI – gen yang berfungsi sebagai regulator yang mengatur transkripsi; 2) blaRI – gen
yang diperlukan pada proses induksi yang bertanggung jawab pada penghantaran
sinyal; dan 3) bla R2: yang dapat mengatur penekanan ekspresi gen betalaktamase
dan berfungsi meningkatkan fungsi
ntibioti. Namun menurut beberapa peneliti
lokasi blaR2 di kromosom belum diketahui dengan pasti dan tidak berkait dengan
blaZ, blaRI dan blaI.(11,12,13,14)
Rowland dan Dyke15 telah berhasil melakukan sekuensing gen gen yang
berperan pada pembentukan enzim betalaktamase pada Tn 552 S. aureus yang
mengandung tiga gen yaitu bla Z , bla RI dan blaI. Ketiga gen ini memiliki dua
ntibiot yaitu
ntibiot yang dimiliki oleh blaZ dan satu
ntibiot bagi blaRI dan blaI.
Ketiga gen ini memiliki spesifitas ekspresi enzim betalaktamase yang bersifat induksi.
Secara skematis gen
ntibioti blaI terletak pada ujung 5’ dari bla RI dan saling
tumpang tindih.4 Data
ntibio menunjukan bahwa blaI memiliki fungsi ntibio
ntibiot yang mengatur proses transkripsi dari blaZ. BiaI ini merupakan suatu
ntibioti yang berikatan dengan suatu operator yang terletak antara blaI dan blaZ,
sedangkan blaRI berfungsi untuk mentransmisikan sinyal tentang keberadaan suatu
molekul betalaktam pada permukaan
ntibiot luar ke komponen gen yang mengatur
ekpresi betalaktamase.5
Proses sintesis enzim betalaktamase pada bakteri Gram positif bersifat
induktif, pertama kali diketahui pada Bacillus licheniformis yang kemudian
diasumsikan mempunyai persamaan dengan yang terjadi pada S. aureus. Bennet dan
Chopra5 menyatakan bahwa proses induksi ntibiotic betalaktam pada S. aureus
diperkirakan sama dengan proses induksi
ntibiotic betalaktam pada B. licheniformis
dan E. coli
Pada bakteri Gram
ntibiot mekanisme proses induksi enzim betalaktamase
pada E. coli terjadi bila senyawa betalaktam sebagai penginduksi berinteraksi dengan
protein pengikat penisilin (PBP) hingga mengakibatkan gangguan tahap akhir sintesis
peptidoglikan. Induksi menstimulasi AmpG (protein penghantar sinyal) sehingga
terjadi peningkatan konsentrasi prazat dinding sel dalam ruang periplasma.
Akumulasi pra zat tersebut merupakan sinyal bagi terjadinya proses transkripsi dari
ampC (gen sruktur). Keadaan ini menimbulkan interaksi AmpG dengan AmpR
(protein regulator), sehingga AmpR berfungsi sebagai
ntibioti yang menstimulasi
ekspresi gen ampC yang mengkode betalaktamase. Dalam keadaan tidak terjadi
induksi, maka AmpD (protein regulator) berikatan dengan AmpE (protein regulator)
dan mempertahankan AmpR sebagai
ntibioti yang menghambat ekspresi AmpC,
sehingga tidak menghasikan betalaktamase. Bila fungsi AmpD terganggu karena
mutasi pada gennya, maka akan mengganggu keseimbangan AmpG dan AmpD yang
mengakibatkan AmpR tetap sebagai ntibioti yang sifatnya permanen sehingga terjadi
ekpresi kontitutif yang tinggi dari ampC.
Dengan demikian maka didapat suatu model yang sederhana sistim pengatur
sintesis betalaktamase pada S. aureus yang bersifat induksi yaitu
ntibiotic
betalaktam berikatan dengan BlaRI dan suatu sinyal akan ditransmisikan ke BiaI
sehingga tidak lagi berikatan dengan operator, maka terjadilah proses transkripsi dari
bla Z.16
BAB III
3.1 Mekanisme Produksi Enzim Betalaktamase
Mekanisme proses induksi pada umumnya bakteri Gram negatif dapat
digambarkan pada skema berikut ini dengan menganalisa proses induksi pada E. coli.
Gambar 3.1 Mekanisme induksi betalaktamase pada E. coli
Dikutip dari: Bennet dan Chopra.5
Keterangan gambar
BL : Betalaktamase
PBP
: Protein Pengikat Penisilin
ampC : Gen struktur betalaktamase
ampR : Gen yang berperan sebagai regulator
ampG : Gen yang bertanggung jawab terhadap transmisi sinyal 0
ampD : Gen yang meregulasi ekspresi betalaktamase pada proses
transkripsi
ampE : Gen yang berfungsi untuk meningkatkan repressor
Tentang perbedaan antara proses induksi yang terjadi pada E. coli dengan S.
aureus dinyatakan oleh Smith dan Murray17 bahwa pada E. coli sinyal induksi baru
ditransmisikan karena adanya prazat yang terkumpul dalam ruang periplasmik,
sedangkan yang terjadi pada S. aureus yaitu rangsangan induksi senyawa betalaktam
yang diterima reseptor pada membran luar akan langsung ditranmisikan.
Pada S. aureus terdapat beberapa protein pengatur sistim induksi, yaitu: BlaI
mempunyai fungsi sama dengan AmpR yaitu sebagai regulator yang mengatur
transkripsi. BlaRI mempunyai fungsi sama dengan AmpG, protein ini diperlukan
pada proses induksi, bertanggung jawab sebagai penghantar signal. BlaR2 berfungsi
sebagai AmpD yang menjebabkan penekanan ekspresi gen betalaktamase dan juga
berfungsi sebagai AmpE untuk meningkatkan represor.18
Seorang peneliti, Kernodle13 memberikan suatu ilustrasi proses induksi
betalaktam pada S. aureus terhadap produksi enzim betalaktamase yang dikode oleh
gen blaZ dan produksi PBP2a hingga menyebabkan terjadinya metisilin resisten
S.aureus (MRSA) yang dikode oleh gen mecA. Pengaturan proses induksi
betalaktamase diawali dengan pengikatan betalaktam terhadap domain pada membran
dari suatu PBP, kemudian ditransduksikan sebagai sinyal dikode oleh blaRI yang
mengarah pada degradasi represor blaI sehingga blaZ dapat ditranskripsi.
Mekanisme BlaRI dapat
memberikan sinyal sehingga menimbulkan
penurunan stimulasi terhadap represor belum jelas. Namun ada beberapa pendapat
bahwa degradasi terjadi pada represor disebabkan adanya perubahan konformasi dari
BlaRI sebagai akibat pengikatan oleh betalaktam yang mengaktivasi suatu protease
dalam domain yang diduga sebagai suatu ruang periplasma (mekanisme 1).
Alternatif lainya, gen bla R2 akan mengkode suatu protein yang dapat
menyebabkan terjadinya inaktivasi represor dimana kompleks BlaRI dapat
mengaktivasi hingga terjadi induksi (mekanisme 2).
PBP2a dengan afinitas rendah terhadap antibiotik betalaktam yang dikode
oleh mecA diproduksi sesuai dengan mekanisme produksi enzim betalaktamase. Hal
ini dapat terjadi karena terdapat homologi antara mecI dan blaI, mecRI dan blaRI, dan
promotor dari blaZ dan mec A. Homologi ini cukup kuat sehingga blaI dapat
berfungsi sebagai represor dalam keadaan induksi normal maupun menghasilkan
sejumlah PBP 2a secara konstitutif karena kerusakan mecI. Mutasi pada gen regulator
(blaI dan mecI) dapat menimbulkan beberapa mutan yang nantinya akan
mempengaruhi sistim regulasi dari yang bersifat indukif menjadi konstitutif.
Mekanisme regulasi induksi betalaktam dapat dilukiskan dengan diagram sebagai
berikut:
Gambar 3.2 Mekanisme regulasi induksi betalaktam S.aureus
Dikutip dari: Kernodle.13
Keterangan gambar:
BlaZ
: gen struktur enzim betalaktamse
blaRI : gen yang mengatur transmisi sinyal
blaR2 : gen yang menginaktivasi represor
blaI
: gen yang menekan proses transkripsi blaZ
mecA : gen struktur PBP2a
mecRl : gen anti represor
mecl
: gen represso
BAB IV
KESIMPULAN
Enzim
betalaktamase
adalah
suatu
enzim
yang
diproduksi
secara
ekstraselluler baik oleh bakteri Gram positif maupun Gram negatif. Enzim ini
berfungsi untuk menginaktivasi antibiotic betalaktam dengan memecah cincin
betalaktam, sehingga antibiotic ini tidak dapat berikatan dengan reseptor paoada
bakteri. Produksi enzim betalaktamase pada Gram positif bersifat induksi yaitu
bakteri tersebut akan menghasilkan enzim betalaktamase bila adanya induksi dari
antibiotik betalaktam , sedangkan pada Gram negatif produksinya bersifat konstitutif
yaitu enzim ini terus menerus diproduksi pada kadar basal.
Produksi enzim ini diregulasi oleh gen yang berperan sebagai regulator,
repressor dan gen struktur. Mekanisme produksi enzim betalaktamase ini memiliki
kemiripan dengan mekanisme produksi gen mecA yang menyebabkan terjadinya
MRSA
BAB V
DAFTAR PUSTAKA
1.Lamont
JR,Burne
RA,Lantz
MS,Leblanc
DJ.Oral
Microbiology
and
Immunology.Washington DC:ASM Press;2006. p380-5
2. Koboyashi M,Zhu Y,Nichols N, Lampen O.A second regulatory encoding a
penicillin binding protein reguired for induction of betalactamase . J of Bacteriology,
Sep 1987;169(9): 3873-76
3. Dyke KGH. Betalactamase of Staphylococcus aureus. In Hamilton JMT and
Miller eds: Betalactamses. Published by Oxord University Press, 1986 291-307
4. Smith MC, Murray BE. Sequence analysis of betalactamase repressor fro S aureus
and hybridization studies with two beta-lactamase producing of Enterococcus
faecalis. J.Antimcrobial Agents and Chemotherapy, Oct 1992 ; 12(9): 2265-9
5. Bennet PN and Chopra J. Moleculer basis of betalactamase induction in bacteria. J.
Antimicrobial Agents and Chemotherapy . Sept 1993; 13(6) :153-8
6. Istiantoro YH. Farmakokinetik inhibitor betalaktamase. Simposium Perkembangan
Baru dalam menanggulangi Resistensi bakteri, 1998; 1-4
7. James CE, Mahendran KR, Molitor A, Bolla JM,Besonov AN, Winterhalter
M,Pagges JM. How Betalactam Enter bacteria.Editor Fatourou. Porthmouth United
Kindom . May 2009
8. Tenover FC .Mechanisms of Antibacterial Resistance in bacteria . The American
Journal of Medicine.2006 Vol 119(6A) S3-S10.
9. Brook I. The role of Betalactamase producing bacteria in mixed infections. BMC
Infectious diseases . BioMed Central . Georgetown University School of Medicine,
Washington DC.October 2009.
10. Leung SFF, Rives JT, Jorgensen . Modeling back bone with Ala-Ala and AlaAla-peptides . Bio Med Chem Lett ;Feb 2009; 19(4) 1236-9
11. Murray BE . Betalactamase producing Gram positif. J. Antimicrobial Agents and
Chemotherapy, April 2002 ; 873-9
13. Kernodle DJ. Mechanism of Resistance to Betalactam Antibiotic in Gram
positive. American Society for Microbiology .2002; 609-23
14. Dyke KGH,Cole M. Inhibition of Betalactamase. J Antimicobial Agent and
Chemotherapy. March 2000 9(5): 289-99
15. Rowland SJ and Dyke KGH. In 552 a Novel Transposable element from S. aureus
. J Molecul Microbiologi. 1999 ;4:961-75
16.
Gregory PD,Lewis RA,Dyke KGH,Curnock SP. Studies of Represor
betalactamase synthesis of S. aureus , Moleculer Microbiology, 1997, 24(5):1025-37
17. Smith MC,Murray BE. Sequence analysis of betalactamase repressor from S
aureus and hybridization studies with two betalactamase producing E. faecalis.J.
Antimicrobial Agent and Chemotherapy 2000 : 12(9) 2265-9
18. Hamilton JMT . Betalactamase. Oxford. Published by Oxford University Press. 123