doc - Ekspresi Gen

BAB X
EKSPRESI GEN
 Dogma Sentral Genetika Molekuler
 Perkembangan Konsep tentang Gen
 Transkripsi
 Tiga Macam RNA
 Translasi, khususnya pada Prokariot
 Kode Genetik
 Mekanisme Pengaturan Ekspresi Gen
pada Prokariot
 Mekanisme Pengaturan Ekspresi Gen
pada Eukariot
140
BAB X. EKSPRESI GEN
Pada Bab IX telah disebutkan bahwa salah satu fungsi dasar yang harus dijalankan
oleh DNA sebagai materi genetik adalah fungsi fenotipik. Artinya, DNA harus mampu
mengatur pertumbuhan dan diferensiasi individu organisme sehingga dihasilkan suatu
fenotipe tertentu.
Fenotipe organisme sangat ditentukan oleh hasil interaksi protein-protein di dalam
sel. Setiap protein tersusun dari sejumlah asam amino dengan urutan tertentu, dan setiap
asam amino pembentukannya disandi (dikode) oleh urutan basa nitrogen di dalam
molekul DNA. Rangkaian proses ini, mulai dari DNA hingga terbentuknya asam amino,
dikenal sebagai dogma sentral genetika molekuler.
DNA
replikasi
RNA
transkripsi
asam amino
translasi
Gambar 10.1. Diagram dogma sentral genetika molekuler
Perubahan urutan basa di dalam molekul DNA menjadi urutan basa molekul RNA
dinamakan transkripsi, sedangkan penerjemahan urutan basa RNA menjadi urutan asam
amino suatu protein dinamakan translasi. Jadi, proses tanskripsi dan translasi dapat
dilihat sebagai tahap-tahap ekspresi urutan basa DNA. Namun, tidak semua urutan basa
DNA akan diekspresikan menjadi urutan asam amino. Urutan basa DNA yang pada
akhirnya menyandi urutan asam amino disebut sebagai gen. Dengan demikian, secara
kimia gen adalah urutan basa nitrogen tertentu pada molekul DNA yang dapat
dieskpresikan melalui tahap-tahap transkripsi dan translasi menjadi urutan asam amino
tertentu.
Di atas telah kita katakan bahwa sejumlah asam amino dengan urutan (sekuens)
tertentu akan menyusun sebuah molekul protein. Namun, setiap molekul protein sendiri
dapat dilihat sebagai gabungan beberapa subunit yang dinamakan polipeptida. Oleh
karena itu, muncul pertanyaan tentang hakekat sebuah gen : tiap gen menyandi satu
protein ataukah tiap gen menyandi satu polipeptida ?
Perkembangan konsep tentang gen dapat diikuti semenjak awal abad ke-20 ketika
seorang dokter sekaligus ahli biokimia dari Inggris, Sir Archibald E. Garrod, mengajukan
konsep satu gen mutan – satu hambatan metabolisme. Garrod mempelajari sejumlah
141
penyakit metabolik bawaan pada manusia dan menyimpulkan bahwa setiap gangguan
metabolisme bawaan yang menimbulkan penyakit tertentu, misalnya alkaptonuria,
disebabkan oleh satu gen mutan resesif.
Sekitar 50 tahun kemudian dua orang peneliti, G. W. Beadle dan E.L. Tatum,
mempelajari mutasi gen pada jamur Neurospora crassa dengan menumbuhkan berbagai
strain mutan hasil iradiasi menggunakan sinar X atau sinar ultraviolet pada medium
lengkap dan medium minimal. Medium minimal adalah medium untuk pertumbuhan
mikroorganisme yang hanya mengandung garam-garam anorganik, sebuah gula
sederhana, dan satu macam vitamin. Mutan yang digunakan adalah mutan dengan hanya
satu kelainan, yang untuk mendapatkannya dilakukan silang balik dengan strain tipe liar.
Mutan hasil silang balik dengan nisbah keturunan tipe liar : mutan = 1 : 1 dipastikan
sebagai mutan dengan hanya satu kelainan (mutasi).
Strain tipe liar, sebagai kontrol, mampu tumbuh baik pada medium lengkap maupun
pada medium minimal, sedangkan strain mutan hanya mampu tumbuh pada medium
lengkap. Strain-strain mutan ini kemudian dianalisis lebih lanjut untuk mengetahui
macam faktor pertumbuhan yang diperlukannya dengan cara melakukan variasi
penambahannya ke dalam medium minimal. Sebagai contoh, mutan yang hanya tumbuh
pada medium minimal yang ditambah dengan tiamin adalah mutan yang mengalami
mutasi pada gen untuk biosintesis tiamin. Dengan cara seperti ini Beadle dan Tatum
memperlihatkan bahwa tiap mutasi menyebabkan kebutuhan akan pemberian satu macam
faktor pertumbuhan. Selanjutnya, dengan mengorelasikan hasil analisis genetik dengan
hasil analisis biokimia terhadap strain-strain mutan Neurospora tersebut dapat diketahui
bahwa tiap mutasi menyebabkan hilangnya satu aktivitas enzim. Maka, konsep satu gen
mutan – satu hambatan metabolisme bergeser menjadi satu gen – satu enzim.
Dalam perkembangan berikutnya, setelah diketahui bahwa sebagian besar enzim
tersusun dari beberapa polipetida, dan masing-masing polipeptida merupakan produk gen
yang berbeda, maka konsep terbaru tentang gen yang dianut hingga kini adalah satu gen
- satu polipeptida. Sebagai contoh, enzim triptofan sintetase pada Escherichia coli
terdiri atas dua buah polipeptida, yaitu polipeptida α dan polipeptida β. Polipeptida α
merupakan produk gen trpA, sedangkan polipeptida β merupakan produk gen trpB.
142
sinarX atau sinar uv
spora seksual
konidia
tipe liar
riboflavin piridoksin
silang balik
tiamin
asam pantotenat
medium lengkap
niasin
inositol
kholin
medium minimal
asam folat asam nukleat
Gambar 10.2. Diagram percobaan yang memperlihatkan satu gen – satu enzim
Transkripsi
Tahap pertama ekspresi gen adalah transkripsi atau sintesis molekul RNA dari DNA
(gen). Sintesis RNA mempunyai ciri-ciri kimiawi yang serupa dengan sintesis DNA,
yaitu
1. Adanya sumber basa nitrogen berupa nukleosida trifosfat. Bedanya dengan sumber
basa untuk DNA hanyalah pada molekul gula pentosanya yang tidak berupa
deoksiribosa tetapi ribosa dan tidak adanya basa timin tetapi tetapi digantikan oleh
urasil. Jadi, keempat nukleosida trifosfat yang diperlukan adalah adenosin trifosfat
(ATP), guanosin trifosfat (GTP), sitidin trifosfat (CTP), dan uridin trifosfat (UTP).
2. Adanya molekul cetakan berupa untai DNA. Dalam hal ini hanya salah satu di antara
kedua untai DNA yang akan berfungsi sebagai cetakan bagi sintesis molekul RNA.
Untai DNA ini mempunyai urutan basa yang komplementer dengan urutan basa RNA
hasil transkripsinya, dan disebut sebagai pita antisens. Sementara itu, untai DNA
pasangannya, yang mempunyai urutan basa sama dengan urutan basa RNA, disebut
sebagai pita sens. Meskipun demikian, sebenarnya transkripsi pada umumnya tidak
terjadi pada urutan basa di sepanjang salah satu untai DNA. Jadi, bisa saja urutan basa
yang ditranskripsi terdapat berselang-seling di antara kedua untai DNA.
3. Sintesis berlangsung dengan arah 5’→ 3’ seperti halnya arah sintesis DNA.
4. Gugus 3’- OH pada suatu nukleotida bereaksi dengan gugus 5’- trifosfat pada
nukleotida berikutnya menghasilkan ikatan fosofodiester dengan membebaskan dua
143
atom pirofosfat anorganik (PPi). Reaksi ini jelas sama dengan reaksi polimerisasi
DNA. Hanya saja enzim yang bekerja bukannya DNA polimerase, melainkan RNA
polimerase. Perbedaan yang sangat nyata di antara kedua enzim ini terletak pada
kemampuan enzim RNA polimerase untuk melakukan inisiasi sintesis RNA tanpa
adanya molekul primer.
Tahap-tahap transkripsi
Transkripsi berlangsung dalam empat tahap, yaitu pengenalan promoter, inisiasi,
elongasi, dan teminasi. Masing-masing akan dijelaskan sebagai berikut.
1. Enzim RNA polimerase mengikat untai DNA cetakan pada suatu daerah yang
mempunyai urutan basa tertentu sepanjang 20 hingga 200 basa. Daerah ini dinamakan
promoter. Baik pada prokariot maupun eukariot, promoter selalu membawa suatu
urutan basa yang tetap atau hampir tetap sehingga urutan ini dikatakan sebagai
urutan konsensus. Pada prokariot urutan konsensusnya adalah TATAAT dan disebut
kotak Pribnow, sedangkan pada eukariot urutan konsensusnya adalah TATAAAT
dan disebut kotak TATA. Urutan konsensus akan menunjukkan kepada RNA
polimerase tempat dimulainya sintesis. Kekuatan pengikatan RNA polimerase oleh
promoter yang berbeda sangat bervariasi. Hal ini mengakibatkan perbedaan kekuatan
ekspresi gen.
2. Setelah mengalami pengikatan oleh promoter, RNA polimerase akan terikat pada
suatu tempat di dekat daerah promoter, yang dinamakan tempat awal polimerisasi.
Nukleosida trifosfat pertama akan diletakkan di tempat ini dan sintesis RNA pun
segera dimulai.
3. Selama sintesis RNA berlangsung RNA polimerase bergerak di sepanjang molekul
DNA cetakan sambil menambahkan nukleotida demi nukleotida kepada untai RNA
yang sedang diperpanjang.
4. Molekul RNA yang baru saja selesai disintesis, dan juga enzim RNA polimerase,
segera terlepas dari untai DNA cetakan begitu enzim tersebut mencapai urutan basa
pengakhir (terminasi). Terminasi dapat terjadi oleh dua macam sebab, yaitu terminasi
yang hanya bergantung kepada urutan basa cetakan (disebut terminasi diri) dan
terminasi yang memerlukan kehadiran suatu protein khusus (protein rho). Di antara
keduanya terminasi diri lebih umum dijumpai. Terminasi diri terjadi pada urutan basa
144
palindrom yang diikuti oleh beberapa adenin (A). Urutan palindrom adalah urutan
yang sama jika dibaca dari dua arah yang berlawanan. Oleh karena urutan palindom
ini biasanya diselingi oleh beberapa basa tertentu, maka molekul RNA yang
dihasilkan akan mempunyai ujung terminasi berbentuk batang dan kala (loop) seperti
pada Gambar 10.3.
urutan penyela
5’
3’
ATTAAAGGCTCCTTTTGGAGCCTTTTTTTT
T A A T T T C C G A G GA AA A C C T C G G A A AAA A AA
3’
5’
DNA
transkripsi
U
U
5’
A U U
U
U
C
G
C
G
U
A
C
G
G
C
G
C
A
U
A
U
A
U
RNA
3’
U U U U U
Gambar 10.3 Terminasi sintesis RNA menghasilkan
ujung berbentuk batang dan kala
Inisiasi transkripsi tidak harus menunggu selesainya transkripsi sebelumnya. Hal ini
karena begitu RNA polimerase telah melakukan pemanjangan 50 hingga 60 nukleotida,
promoter dapat mengikat RNA polimerase yang lain. Pada gen-gen yang ditranskripsi
dengan cepat reinisiasi transkripsi dapat terjadi berulang-ulang sehingga gen tersebut
akan terselubungi oleh sejumlah molekul RNA dengan tingkat penyelesaian yang
berbeda-beda.
145
Secara umum mekanisme transkripsi pada prokariot dan eukariot hampir sama.
Hanya saja, pada prokariot produk langsung transkripsi atau transkrip primernya adalah
mRNA (akan dijelaskan di bawah), sedangkan pada eukariot transkrip primernya harus
mengalami prosesing RNA terlebih dahulu sebelum menjadi mRNA. Prosesing RNA ini
mencakup dua peristiwa, yaitu modifikasi kedua ujung transkrip primer dan pembuangan
urutan basa pada transkrip primer yang tidak akan ditranslasi (disebut intron). Ujung 5’
dimodifikasi dengan penambahan guanosin dalam ikatan 5’-5’ yang tidak umum hingga
terbentuk suatu gugus terminal yang dinamakan cap, sedangkan ujung 3’ dimodifikasi
dengan urutan poliadenosin (poli A) sepanjang lebih kurang 200 basa. Sementara itu,
panjang intron yang harus dibuang dapat mencapai 50% hingga 90% dari panjang
transkrip primer, tetapi segmen yang mengandung ujung 5’ (gugus cap) tidak pernah
dibuang. Setelah intron dibuang, segmen-segmen sisanya (disebut ekson) segera
digabungkan menjadi mRNA. Pembuangan intron dan penggabungan ekson menjadi
molekul mRNA dinamakan penyatuan RNA atau RNA splicing.
Macam-macam RNA
Transkripsi DNA menghasilkan molekul RNA yang kemudian akan mengalami
diferensiasi struktur sesuai dengan fungsinya masing-masing. Kita mengenal tiga macam
RNA, yaitu
1. RNA duta atau messenger RNA (mRNA), yang mempunyai struktur linier kecuali
bagian ujung terminasinya yang berbentuk batang dan kala (Gambar 10.3). Molekul
mRNA membawa urutan basa yang sebagian di antaranya akan ditranslasi menjadi
urutan asam amino. Urutan basa yang dinamakan urutan penyandi (coding
sequences) ini dibaca tiga demi tiga. Artinya, tiap tiga basa akan menyandi
pembentukan satu asam amino sehingga tiap tiga basa ini dinamakan triplet kodon.
Daftar triplet kodon beserta asam amino yang disandinya dapat dilihat pada Tabel
10.1. Pada prokariot bagian mRNA yang tidak ditranslasi terletak di depan urutan
penyandi (disebut pengarah atau leader) dan di antara dua urutan penyandi (disebut
spacer sequences atau noncoding sequences). Sementara itu, pada eukariot di
samping kedua bagian tadi ada juga bagian di dalam urutan penyandi yang tidak
ditranslasi. Bagian inilah yang dinamakan intron seperti telah dijelaskan di atas.
Molekul mRNA pada prokariot sering kali membawa sejumlah urutan penyandi bagi
146
beberapa polipeptida yang berbeda. Molekul mRNA seperti ini dinamakan mRNA
polisistronik. Dengan adanya mRNA polisistronik, sintesis beberapa protein yang
masih terkait satu sama lain dapat diatur dengan lebih efisien karena hanya
dibutuhkan satu sinyal. Pada eukariot hampir tidak pernah dijumpai mRNA
polisistronik.
2. RNA pemindah atau transfer RNA (tRNA), yang strukturnya mengalami modifikasi
hingga berbentuk seperti daun semanggi. Seperti halnya struktur ujung terminasi
mRNA, struktur seperti daun semanggi ini terjadi karena adanya urutan palindrom
yang diselingi oleh beberapa basa (Gambar 10.4). Pada salah satu kalanya, tRNA
membawa tiga buah basa yang komplemeter dengan triplet kodon pada mRNA.
Ketiga basa ini dinamakan antikodon. Sementara itu, pada ujung 3’-nya terdapat
tempat pengikatan asam amino tertentu. Pengikatan yang membentuk molekul
aminoasil-tRNA ini terjadi dengan bantuan enzim aminoasil-tRNA sintetase.
Dalam hal ini gugus hidroksil (OH) pada ujung 3’ tRNA terikat sangat kuat dengan
gugus karboksil (COOH) asam amino. Macam asam amino yang dibawa ditentukan
oleh urutan basa pada antikodon. Jadi, ada beberapa macam aminoasil-tRNA sesuai
dengan antikodon dan macam asam amino yang dibawanya.
antikodon
5’
3’ (tempat pengikatan asam amino)
Gambar 10.4. Diagram struktur tRNA
3. RNA ribosomal atau ribosomal RNA (rRNA), yang strukturnya merupakan bagian
struktur ribosom. Lebih kurang separuh struktur kimia ribosom berupa rRNA dan
147
separuh lainnya berupa protein. Molekul rRNA, dan juga tRNA, dapat dikatakan
sebagai RNA struktural dan tidak ditranslasi menjadi asam amino/protein. Akan
tetapi, mereka adalah bagian mesin sel yang menyintesis protein (lihat uraian tentang
translasi di bawah ini).
Translasi
Bila dibandingkan dengan transkripsi, translasi merupakan proses yang lebih rumit
karena melibatkan fungsi berbagai makromolekul. Oleh karena kebanyakan di antara
makromolekul ini terdapat dalam jumlah besar di dalam sel, maka sistem translasi
menjadi bagian utama mesin metabolisme pada tiap sel. Makromolekul yang harus
berperan dalam proses translasi tersebut meliputi
1. Lebih dari 50 polipeptida serta 3 hingga 5 molekul RNA di dalam tiap ribosom
2. Sekurang-kurangnya 20 macam enzim aminoasil-tRNA sintetase yang akan
mengaktifkan asam amino
3. Empat puluh hingga 60 molekul tRNA yang berbeda
4. Sedikitnya 9 protein terlarut yang terlibat dalam inisiasi, elongasi, dan terminasi
polipeptida.
Translasi, atau pada hakekatnya sintesis protein, berlangsung di dalam ribosom,
suatu struktur organel yang banyak terdapat di dalam sitoplasma. Ribosom terdiri atas
dua subunit, besar dan kecil, yang akan menyatu selama inisiasi translasi dan terpisah
ketika translasi telah selesai. Ukuran ribosom sering dinyatakan atas dasar laju
pengendapannya selama sentrifugasi sebagai satuan yang disebut satuan Svedberg (S).
Pada kebanyakan prokariot ribosom mempunyai ukuran 70S, sedangkan pada eukariot
biasanya sekitar 80S.
Tiap ribosom mempunyai dua tempat pengikatan tRNA, yang masing-masing
dinamakan tapak aminoasil (tapak A) dan tapak peptidil (tapak P). Molekul
aminoasil-tRNA yang baru memasuki ribosom akan terikat di tapak A, sedangkan
molekul tRNA yang membawa rantai polipeptida yang sedang diperpanjang terikat di
tapak P.
Gambaran penting sintesis protein adalah bahwa proses ini berlangsung dengan
arah tertentu sebagai berikut.
148
1. Molekul mRNA ditranslasi dengan arah 5’→ 3’, tetapi tidak dari ujung 5’ hingga
ujung 3’.
2. Polipeptida disintesis dari ujung amino ke ujung karboksil dengan menambahkan
asam-asam amino satu demi satu ke ujung karboksil. Sebagai contoh, sintesis protein
yang mempunyai urutan NH2-Met-Pro- . . . -Gly-Ser-COOH pasti dimulai dengan
metionin dan diakhiri dengan serin.
Mekanisme sintesis protein secara skema garis besar dapat dilihat pada Gambar
10.5. Sebuah molekul mRNA akan terikat pada permukaan ribosom yang kedua
subunitnya telah bergabung. Pengikatan ini terjadi karena pada mRNA prokariot terdapat
urutan basa tertentu yang disebut sebagai tempat pengikatan ribosom (ribosom binding
site) atau urutan Shine-Dalgarno. Sementara itu, pada eukariot pengikatan ribosom
dilakukan oleh ujung 5’ mRNA. Selanjutnya, berbagai aminoasil-tRNA akan berdatangan
satu demi satu ke kompleks ribosom-mRNA ini dengan urutan sesuai dengan antikodon
dan asam amino yang dibawanya. Urutan ini ditentukan oleh urutan triplet kodon pada
mRNA. Ikatan peptida terbentuk di antara asam-asam amino yang terangkai menjadi
rantai polipeptida di tapak P ribosom. Penggabungan asam-asam amino terjadi karena
gugus amino pada asam amino yang baru masuk berikatan dengan gugus karboksil pada
asam amino yang terdapat pada rantai polipeptida yang sedang diperpanjang. Penjelasan
tentang mekanisme sintesis protein yang lebih rinci disertai contoh, khususnya pada
prokariot, akan diberikan di bawah ini.
arah gerakan ribosom
P
5’
AUC
UAG
ribosom
A
ACC
UGG
CUG
3’ mRNA
GGG
GAC
tRNA
aa
aa
aa
aa
NH2
COOH
aminoasil-tRNA
aa
NH 2
COOH
ikatan peptida
Gambar 10.5. Skema garis besar sintesis protein
149
Inisiasi sintesis protein dilakukan oleh aminoasil-tRNA khusus, yaitu tRNA yang
membawa metionin (dilambangkan sebagai metionil-tRNAiMet). Hal ini berarti bahwa
sintesis semua polipeptida selalu dimulai dengan metionin. Khusus pada prokariot akan
terjadi formilasi gugus amino pada metionil-tRNAiMet (dilambangkan sebagai metioniltRNAfMet) yang mencegah terbentuknya ikatan peptida antara gugus amin tersebut
dengan gugus karboksil asam amino pada ujung polipetida yang sedang diperpanjang
sehingga asam amino awal pada polipeptida prokariot selalu berupa f-metionin. Pada
eukariot metionil-tRNAiMet tidak mengalami formilasi gugus amin, tetapi molekul ini
akan bereaksi dengan protein-protein tertentu yang berfungsi sebagai faktor inisiasi
(IF-1, IF-2, dan IF-3). Selain itu, baik pada prokariot maupun eukariot, terdapat pula
metionil-tRNA yang metioninnya bukan merupakan asam amino awal (dilambangkan
sebagai metionil-tRNAMet).
Kompleks inisiasi pada prokariot terbentuk antara mRNA, metionil-tRNAfMet, dan
subunit kecil ribosom (30S) dengan bantuan protein IF-1, IF-2, dan IF-3, serta sebuah
molekul GTP. Pembentukan kompleks inisiasi ini diduga difasilitasi oleh perpasangan
basa antara suatu urutan di dekat ujung 3’ rRNA berukuran 16S dan sebagian urutan
pengarah (leader sequence) pada mRNA. Selanjutnya, kompleks inisiasi bergabung
dengan subunit besar ribosom (50S), dan metionil-tRNAfMet terikat pada tapak P.
Berpasangannya triplet kodon inisiasi pada mRNA dengan antikodon pada metioniltRNAfMet di tapak P menentukan urutan triplet kodon dan aminoasil-tRNAfMet berikutnya
yang akan masuk ke tapak A. Pengikatan aminoasil-tRNAfMet berikutnya, misalnya alaniltRNAala, ke tapak A memerlukan protein-protein elongasi EF-Ts dan EF-Tu.
Pembentukan ikatan peptida antara gugus karboksil pada metionil-tRNAfMet di tapak P
dan gugus amino pada alanil-tRNAala di tapak A dikatalisis oleh enzim peptidil
transferase, suatu enzim yang terikat pada subunit ribosom 50S. Reaksi ini
menghasilkan dipeptida yang terdiri atas f-metionin dan alanin yang terikat pada tRNAala
di tapak A.
Langkah berikutnya adalah translokasi, yang melibatkan (1) perpindahan f-met-alatRNAala dari tapak A ke tapak P dan (2) pergeseran posisi mRNA pada ribosom
sepanjang tiga basa sehingga triplet kodon yang semula berada di tapak A masuk ke
tapak P. Dalam contoh ini triplet kodon yang bergeser dari tapak A ke P tersebut adalah
150
triplet kodon untuk alanin. Triplet kodon berikutnya, misalnya penyandi serin, akan
masuk ke tapak A dan proses seperti di atas hingga translokasi akan terulang kembali.
Translokasi memerlukan aktivitas faktor elongasi berupa enzim yang biasa dilambangkan
dengan EF-G.
Pemanjangan atau elongasi rantai polipeptida akan terus berlangsung hingga suatu
tripet kodon yang menyandi terminasi memasuki tapak A. Sebelum suatu rantai
polipeptida selesai disintesis terlebih dahulu terjadi deformilisasi pada f-metionin
menjadi metionin. Terminasi ditandai oleh terlepasnya mRNA, tRNA di tapak P, dan
rantai polipeptida dari ribosom. Selain itu, kedua subunit ribosom pun memisah. Pada
terminasi diperlukan aktivitas dua protein yang berperan sebagai faktor pelepas atau
releasing factors, yaitu RF-1 dan RF-2.
Sesungguhnya setiap mRNA tidak hanya ditranslasi oleh sebuah ribosom. Pada
umumnya sebuah mRNA akan ditranslasi secara serempak oleh beberapa ribosom yang
satu sama lain berjarak sekitar 90 basa di sepanjang molekul mRNA. Kompleks translasi
yang terdiri atas sebuah mRNA dan beberapa ribosom ini dinamakan poliribosom atau
polisom. Besarnya polisom sangat bervariasi dan berkorelasi dengan ukuran polipeptida
yang akan disintesis. Sebagai contoh, rantai hemoglobin yang tersusun dari sekitar 150
asam amino disintesis oleh polisom yang terdiri atas lima buah ribosom (pentaribosom).
Pada prokariot translasi seringkali dimulai sebelum transkripsi berakhir. Hal ini
dimungkinkan terjadi karena tidak adanya dinding nukleus yang memisahkan antara
transkripsi dan translasi. Dengan berlangsungnya kedua proses tersebut secara
bersamaan, ekspresi gen menjadi sangat cepat dan mekanisme nyala-padam (turn on-turn
off) ekspresi gen, seperti yang akan dijelaskan nanti, juga menjadi sangat efisien.
Namun, tidak demikian halnya pada eukariot. Transkripsi terjadi di dalam nukleus,
sedangkan translasi terjadi di sitoplasma (ribosom). Pertanyaan yang muncul adalah
bagaimana mRNA hasil transkripsi dipindahkan dari nukleus ke sitoplasma, faktor-faktor
apa yang menentukan saat dan tempat translasi? Sayangnya, hingga kini kita belum dapat
menjawab pertanyaan-pertanyaan tersebut dengan memuaskan. Kita baru mengetahui
bahwa transkripsi dan translasi pada eukariot jauh lebih rumit daripada proses yang ada
pada prokariot. Salah satu di antaranya seperti telah kita bicarakan di atas, yaitu bahwa
151
mRNA hasil transkripsi (transkrip primer) pada eukariot memerlukan prosesing terlebih
dahulu sebelum dapat ditranslasi.
Kode genetik
Penetapan triplet kodon pada mRNA sebagai pembawa informasi genetik atau kode
genetik yang akan menyandi pembentukan suatu asam amino tertentu berawal dari
pemikiran bahwa macam basa nitrogen jauh lebih sedikit daripada macam asam amino.
Basa nitrogen pada mRNA hanya ada empat macam, sedangkan asam amino ada 20
macam. Oleh karena itu, jelas tidak mungkin tiap asam amino disandi oleh satu basa.
Begitu juga, kombinasi dua basa hanya akan menghasilkan 42 atau 16 macam duplet,
masih lebih sedikit daripada macam amino yang ada. Kombinasi tiga basa akan
menghasilkan 43 atau 64 triplet, melebihi jumlah macam asam amino. Dalam hal ini, satu
macam asam amino dapat disandi oleh lebih dari satu macam triplet kodon.
Tabel 10.1. Kode genetik
Basa I
(5’)
U
C
A
G
Basa III
(3’)
Basa II
U
C
A
G
Phe
Ser
Tyr
Cys
Phe
Ser
Tyr
Cys
C
Leu
Ser
Stop
Stop
A
Leu
Ser
Stop
Trp
G
Leu
Pro
His
Arg
U
Leu
Pro
His
Arg
C
Leu
Pro
Gln
Arg
A
Leu
Pro
Gln
Arg
G
ILe
Thr
Asn
Ser
U
Ile
Thr
Asn
Ser
C
ILe
Thr
Lys
Arg
A
Met
Thr
Lys
Arg
G
Val
Ala
Asp
Gly
U
Val
Ala
Asp
Gly
C
Val
Ala
Glu
Gly
A
Val
Ala
Glu
Gly
G
U
152
Keterangan :
phe = fenilalanin
ser = serin
his = histidin
leu = leusin
pro = prolin
gln = glutamin
ile = isoleusin
thr = treonin
asn = asparagin
met = metionin
ala = alanin
lys = lisin
val = valin
tyr = tirosin
asp = asam aspartat
AUG (kodon metionin) dapat menjadi kodon awal (start codon)
stop = kodon stop (stop codon)
glu = asam glutamat
cys = sistein
trp = triptofan
arg = arginin
gly = glisin
Bukti bahwa kode genetik berupa triplet kodon diperoleh dari hasil penelitian
F.H.C. Crick dan kawan-kawannya yang mempelajari mutasi pada lokus rIIB bakteriofag
T4. Mutasi tersebut diinduksi oleh proflavin, suatu molekul yang dapat menyisip di selasela pasangan basa nitrogen sehingga kesalahan replikasi DNA dapat terjadi sewaktuwaktu, menghasilkan DNA yang kelebihan atau kekurangan satu pasangan basa. Hal ini
akan menyebabkan perubahan rangka baca (reading frame), yaitu urutan pembacaan
basa-basa nitrogen untuk diterjemahkan menjadi urutan asam amino tertentu. Mutasi
yang disebabkan oleh perubahan rangka baca akibat kelebihan atau kekurangan pasangan
basa disebut sebagai mutasi rangka baca (frameshift mutation) (lihat Bab XI).
Jika mutan (hasil mutasi) rangka baca yang diinduksi oleh proflavin ditumbuhkan
pada medium yang mengandung proflavin, akan diperoleh beberapa fag tipe liar sehingga
mutasi seolah-olah dapat dipulihkan atau terjadi mutasi balik (reverse mutation). Pada
awalnya mutasi balik diduga karena kelebihan pasangan basa dibuang dari rangka baca
yang salah sehingga rangka baca tersebut telah diperbaiki menjadi seperti semula.
Namun, karena mutasi bersifat acak, maka mekanisme semacam itu kecil sekali
kemungkinannya untuk terjadi dan dugaan tersebut nampaknya tidak benar. Crick dan
kawan-kawannya menjelaskan bahwa mutasi balik disebabkan oleh hilangnya (delesi)
satu pasangan basa lain yang letaknya tidak terlalu jauh dari pasangan basa yang
menyisip (adisi). Rangka baca yang baru ini akan menghasilkan urutan asam amino yang
masih sama fungsinya dengan urutan sebelum terjadi mutasi. Dengan perkataan lain,
mutasi balik terjadi karena efek mutasi awal akibat penambahan basa ditekan oleh mutasi
kedua akibat pengurangan basa sehingga mutasi yang kedua ini disebut juga sebagai
mutasi penekan (suppressor mutation).
Protein rIIB pada T4 mempunyai bagian-bagian yang di dalamnya dapat terjadi
perubahan urutan asam amino. Perubahan ini dapat berpengaruh atau tidak berpengaruh
terhadap fungsi proteinnya. Jika dua strain mutan T4 yang satu sama lain mengalami
153
mutasi berbeda di dalam bagian protein rIIB disilangkan melalui infeksi campuran pada
suatu inang, maka T4 tipe liar akan diperoleh sebagai hasil rekombinasi genetik antara
kedua tempat mutasi yang berbeda itu. Akan tetapi, ketika kedua strain mutan rIIB yang
disilangkan merupakan strain-strain yang diseleksi secara acak (tidak harus mengalami
mutasi yang berbeda), ternyata tidak selalu diperoleh tipe liar. Hasil ini menunjukkan
bahwa strain-strain mutan dapat dibagi menjadi dua kelompok, yaitu strain + dan strain -.
Dalam hal ini, strain + tidak harus selalu mutan adisi, dan strain – tidak harus selalu
mutan delesi. Namun, sekali kita menggunakan tanda + untuk mutan adisi berarti strain +
adalah mutan adisi. Begitu pula sebaliknya, sekali kita gunakan tanda + untuk mutan
delesi berarti strain + adalah mutan delesi.
Persilangan antara strain + dan strain – hanya menghasilkan rekombinasi berupa
fenotipe tipe liar, sedangkan persilangan antara sesama + atau sesama – tidak pernah
menghasilkan tipe liar. Hal ini karena persilangan sesama + atau sesama – akan
menyebabkan adisi atau delesi ganda sehingga selalu menghasilkan fenotipe mutan.
Sementara itu, persilangan antara starin + dan – akan menyebabkan terjadinya mutasi
penekan (adisi ditekan oleh delesi atau delesi ditekan oleh adisi) atau hanya
menghasilkan mutasi pada urutan asam amino yang tidak berpengaruh terhadap fungsi
protein sehingga diperoleh fenotipe tipe liar.
AUG UUU CCC AAA GGG UUU . . . . . . CCC UAG
met phe pro lys gly phe
pro stop
mRNA tipe liar
penambahan pasangan basa A=T (mutasi rangka baca I)
AUG AUU UCC CAA AGG GUU U . . . . . CCU AG . . . mRNA mutan
met ile ser gln arg val
leu
pengurangan pasangan basa G = G(mutasi rangka baca II)
AUG AUU UCC AAA GGG UUU . . . . . . CCC UAG
met ile ser lys gly phe
pro stop
mRNA ‘tipe liar’
urutan asam
urutan asam amino tipe liar
amino yang berubah
Gambar 10.6. Mutasi penekan yang memulihkan rangka baca
Oleh karena persilangan sesama + atau sesama – tidak pernah menghasilkan tipe
liar, kode genetik jelas tidak mungkin terdiri atas dua basa. Seandainya, kode genetik
154
berupa duplet, maka akan terjadi pemulihan rangka baca hasil persilangan tersebut.
Kenyataannya tidak demikian. Pemulihan rangka baca akibat mutasi penekan justru
terjadi apabila persilangan dilakukan antara strain + dan strain -.
Apabila kode genetik berupa triplet, maka persilangan teoretis sesama + atau
sesama – akan menghasilkan fenotipe mutan, sesuai dengan hasil kenyataannya. Namun,
rekombinasi antara tiga + atau tiga - akan menghasilkan tipe liar. Hal ini memperlihatkan
bahwa kode genetik terdiri atas tiga basa.
urutan yang bila berubah tidak berpengaruh
tipe liar
+1
+2
-1
-2
+1 x + 2
-1 x -2
+1 x -1
urutan yang bila berubah berpengaruh
AB CD EF GH IJ KL
AB C1 DE FG HI JK
AB CD E2 FG HI JK
AB DE FG HI JK LM
AB CD FG HI JK LM
AB C1 DE 2F GH IJ KL
AB CD EF GH IJ KL
AB C1 DE FG HI JK
MN OP QR ST UV WX
protein tipe liar
LM NO PQ RS TU VW X protein mutan
LM NO PQ RS TU VW X protein mutan
NO PQ RS TU VW X
protein mutan
NO PQ RS TU VW X
protein mutan
MN OP QR ST UV WX
protein tipe liar
MN OP QR ST UV WX
protein tipe liar
LM NO PQ RS TU VW X protein mutan
a)
urutan yang bila berubah tidak berpengaruh
tipe liar
+1
+2
+3
+1 x + 2
+1 x + 2 x + 3
ABC
AB1
ABC
ABC
AB1
AB1
urutan yang bila berubah berpengaruh
DEF GHI JKL
CDE FGH IJK
DE2 FGH IJK
DEF GHI J3K
CDE 2FG HIJ
CDE 2FG HIJ 3KL
MNO PQR STU VWX
LMN OPQ RST UVW X
LMN OPQ RST UVW X
LMN OPQ RST UVW X
KLM NOP QRS TUV WX
MNO PQR STU VWX
protein tipe liar
protein mutan
protein mutan
protein mutan
protein mutan
protein tipe liar
b)
Gambar 10.7. Diagram persilangan mutan rIIB pada T4 yang memperlihatkan
bahwa kode genetik berupa triplet kodon
a) Jika kode genetik berupa duplet, hasil persilangan teoretis
tidak sesuai dengan kenyataan yang diperoleh.
b) Jika kode genetik berupa triplet, hasil persilangan teoretis
sesuai dengan kenyataan yang diperoleh.
Sifat-sifat kode genetik
Kode genetik mempunyai sifat-sifat yang akan dijelaskan sebagai berikut.
1. Kode genetik bersifat universal. Artinya, kode genetik berlaku sama hampir di setiap
spesies organisme.
2. Kode genetik bersifat degenerate atau redundant, yaitu bahwa satu macam asam
amino dapat disandi oleh lebih dari satu triplet kodon. Sebagai contoh, treonin dapat
155
disandi oleh ACU, ACC, ACA, dan ACG. Sifat ini erat kaitannya dengan sifat
wobble basa ketiga, yang artinya bahwa basa ketiga dapat berubah-ubah tanpa selalu
disertai perubahan macam asam amino yang disandinya. Diketahuinya sifat wobble
bermula dari penemuan basa inosin (I) sebagai basa pertama pada antikodon tRNAala
ragi, yang ternyata dapat berpasangan dengan basa A, U, atau pun C.
Dengan
demikian, satu antikodon pada tRNA dapat mengenali lebih dari satu macam kodon
pada mRNA.
3. Oleh karena tiap kodon terdiri atas tiga buah basa, maka tiap urutan basa mRNA, atau
berarti juga DNA, mempunyai tiga rangka baca yang berbeda (open reading
frame). Di samping itu, di dalam suatu segmen tertentu pada DNA dapat terjadi
transkripsi dan translasi urutan basa dengan panjang yang berbeda. Dengan perkataan
lain, suatu segmen DNA dapat terdiri atas lebih dari sebuah gen yang saling tumpang
tindih (overlapping). Sebagai contoh, bakteriofag фX174 mempunyai sebuah untai
tunggal DNA yang panjangnya lebih kurang hanya 5000 basa. Seandainya dari urutan
basa ini hanya digunakan sebuah rangka baca, maka akan terdapat sekitar 1700 asam
amino yang dapat disintesis. Kemudian, jika sebuah molekul protein rata-rata
tersusun dari 400 asam amino, maka dari sekitar 1700 asam amino tersebut hanya
akan terbentuk 4 hingga 5 buah molekul protein. Padahal kenyataannya, bakteriofag
фX174 mempunyai 11 protein yang secara keseluruhan terdiri atas 2300 asam amino.
Dengan demikian, jelaslah bahwa dari urutan basa DNA yang ada tidak hanya
digunakan sebuah rangka baca, dan urutan basa yang diekspresikan (gen) dapat
tumpang tindih satu sama lain.
Pengaturan Ekspresi Gen
Produk-produk gen tertentu seperti protein ribosomal, rRNA, tRNA, RNA
polimerase, dan enzim-enzim yang mengatalisis berbagai reaksi metabolisme yang
berkaitan dengan fungsi pemeliharaan sel merupakan komponen esensial bagi semua sel.
Gen-gen yang menyandi pembentukan produk semacam itu perlu diekspresikan terusmenerus sepanjang umur individu di hampir semua jenis sel tanpa bergantung kepada
kondisi lingkungan di sekitarnya. Sementara itu, banyak pula gen lainnya yang
ekspresinya sangat ditentukan oleh kondisi lingkungan sehingga mereka hanya akan
156
diekspresikan pada waktu dan di dalam jenis sel tertentu. Untuk gen-gen semacam ini
harus ada mekanisme pengaturan ekspresinya.
Pengaturan ekspresi gen dapat terjadi pada berbagai tahap, misalnya transkripsi,
prosesing mRNA, atau translasi. Namun, sejumlah data hasil penelitian menunjukkan
bahwa pengaturan ekspresi gen, khususnya pada prokariot, paling banyak terjadi pada
tahap transkripsi.
Mekanisme pengaturan transkripsi, baik pada prokariot maupun pada eukariot,
secara garis besar dapat dibedakan menjadi dua kategori utama, yaitu (1) mekanisme
yang melibatkan penyalapadaman (turn on and turn off) ekspresi gen sebagai respon
terhadap perubahan kondisi lingkungan dan (2) sirkit ekspresi gen yang telah terprogram
(preprogramed
circuits).
Mekanisme
penyalapadaman
sangat
penting
bagi
mikroorganisme untuk menyesuaikan diri terhadap perubahan lingkungan yang seringkali
terjadi secara tiba-tiba. Sebaliknya, bagi eukariot mekanisme ini nampaknya tidak terlalu
penting karena pada organisme ini sel justru cenderung merespon sinyal-sinyal yang
datang dari dalam tubuh, dan di sisi lain, sistem sirkulasi akan menjadi penyangga bagi
sel terhadap perubahan kondisi lingkungan yang mendadak tersebut. Pada mekanisme
sirkit, produk suatu gen akan menekan transkripsi gen itu sendiri dan sekaligus memacu
transkripsi gen kedua, produk gen kedua akan menekan transkripsi gen kedua dan
memacu transkripsi gen ketiga, demikian seterusnya. Ekspresi gen yang berurutan ini
telah terprogram secara genetik sehingga gen-gen tersebut tidak akan dapat diekspresikan
di luar urutan. Oleh karena urutan ekspresinya berupa sirkit, maka mekanisme tersebut
dinamakan sirkit ekspresi gen.
Induksi dan represi pada prokariot
Escherichia coli merupakan bakteri yang sering dijadikan model untuk mempelajari
berbagai mekanisme genetika molekuler. Bakteri ini secara alami hidup di dalam usus
besar manusia dengan memanfaatkan sumber karbon yang umumnya berupa glukosa.
Apabila suatu ketika E. coli ditumbuhkan pada medium yang sumber karbonnya bukan
glukosa melainkan laktosa, maka enzim pemecah laktosa akan disintesis, sesuatu yang
tidak biasa dilakukannya. Untuk itu, gen-gen penyandi berbagai enzim yang terlibat
dalam pemanfaatan laktosa akan diekspresikan (turned on). Sebaliknya, dalam keadaan
normal, yaitu ketika tersedia glukosa sebagai sumber karbon, maka gen-gen tersebut
157
tidak diekspresikan (turned off). Proses yang terjadi ketika ekspresi gen merupakan
respon terhadap keberadaan suatu zat di lingkungannya dikenal sebagai induksi,
sedangkan zat atau molekul yang menyebabkan terjadinya induksi disebut sebagai
induser. Jadi, dalam contoh ini laktosa merupakan induser.
Induksi secara molekuler terjadi pada tingkat transkripsi. Peristiwa ini berkenaan
dengan laju sintesis enzim, bukan dengan aktivitas enzim. Pada pengaktifan enzim suatu
molekul kecil akan terikat pada enzim sehingga akan terjadi peningkatan aktivitas enzim
tersebut, bukan peningkatan laju sintesisnya.
Selain mempunyai kemampuan untuk memecah suatu molekul (katabolisme),
bakteri juga dapat menyintesis (anabolisme) berbagai molekul organik yang diperlukan
bagi pertumbuhannya. Sebagai contoh, Salmonella typhimurium mempunyai sejumlah
gen yang menyandi enzim-enzim untuk biosintesis triptofan. Dalam medium
pertumbuhan yang tidak mengandung triptofan, S. typhimurium akan mengekspresikan
(turned on) gen-gen tersebut. Akan tetapi, jika suatu saat ke dalam medium
pertumbuhannya ditambahkan triptofan, maka gen-gen tersebut tidak perlu diekspresikan
(turned off). Proses pemadaman (turn off) ekspresi gen sebagai respon terhadap
keberadaan suatu zat di lingkungannya dinamakan represi, sedangkan zat yang
menyebabkan terjadinya represi disebut sebagai korepresor. Jadi, dalam contoh ini
triptofan merupakan korepresor.
Seperti halnya induksi, represi juga terjadi pada tahap transkripsi. Represi sering
dikacaukan dengan inhibisi umpan balik (feedback inhibition), yaitu penghambatan
aktivitas enzim akibat pengikatan produk akhir reaksi yang dikatalisis oleh enzim itu
sendiri. Represi tidak menghambat aktivitas enzim, tetapi menekan laju sintesisnya.
Model operon
Mekanisme molekuler induksi dan represi telah dapat dijelaskan menurut model
yang diajukan oleh F. Jacob dan J. Monod pada tahun 1961. Menurut model yang dikenal
sebagai operon ini ada dua unsur yang mengatur transkripsi gen struktural penyandi
enzim, yaitu gen regulator (gen represor) dan operator yang letaknya berdekatan
dengan gen-gen struktural yang diaturnya. Gen regulator menyandi pembentukan suatu
protein yang dinamakan represor. Pada kondisi tertentu represor akan berikatan dengan
operator, menyebabkan terhalangnya transkripsi gen-gen struktural. Hal ini terjadi karena
158
enzim RNA polimerase tidak dapat memasuki promoter yang letaknya berdekatan, atau
bahkan tumpang tindih, dengan operator.
Secara keseluruhan setiap operon terdiri atas promoter operon atau promoter bagi
gen-gen struktural (PO), operator (O), dan gen-gen struktural (GS). Di luar operon
terdapat gen regulator (R) beserta promoternya (PR), molekul protein represor yang
dihasilkan oleh gen regulator, dan molekul efektor. Molekul efektor pada induksi adalah
induser, sedangkan pada represi adalah korepresor.
operon
PR
R
PO
O
represor
GS1
GS2
GS3
efektor (induser atau korepresor)
a)
RNA polimerase
induser
RNA polimerase berjalan
transkripsi
kompleks represor-induser
translasi
b)
RNA polimerase berjalan
transkripsi
korepresor
translasi
kompleks represor-korepresor
c)
Gambar 10.8. Model operon untuk pengaturan ekspresi gen
a) komponen operon b) induksi c) represi
159
Pada Gambar 10.8 terlihat bahwa terikatnya represor pada operator terjadi dalam
keadaan yang berkebalikan antara induksi dan represi. Pada induksi represor secara
normal akan berikatan dengan operator sehingga RNA polimerase tidak dapat memasuki
promoter operon. Akibatnya, transkripsi gen-gen struktural tidak dapat berlangsung.
Namun, dengan terikatnya represor oleh induser, promoter operon menjadi terbuka bagi
RNA polimerase sehingga gen-gen struktural dapat ditranskripsi dan selanjutnya
ditranslasi. Dengan demikian, gen-gen struktural akan diekspresikan apabila terdapat
molekul induser yang mengikat represor.
Operon yang terdiri atas gen-gen yang ekspresinya terinduksi dinamakan operon
induksi. Salah satu contohnya adalah operon lac, yang terdiri atas gen-gen penyandi
enzim pemecah laktosa seperti telah disebutkan di atas.
Sebaliknya, pada represi secara normal represor tidak berikatan dengan operator
sehingga RNA polimerase dapat memasuki promoter operon dan transkripsi gen-gen
struktural dapat terjadi. Akan tetapi, dengan adanya korepresor, akan terbentuk kompleks
represor-korepresor yang kemudian berikatan dengan operator. Dengan pengikatan ini,
RNA polimerase tidak dapat memasuki promoter operon sehingga transkripsi gen-gen
struktural menjadi terhalang. Jadi, ekspresi gen-gen struktural akan terepresi apabila
terdapat molekul korepresor yang berikatan dengan represor.
Gen-gen yang ekspresinya dapat terepresi merupakan komponen operon yang
dinamakan operon represi. Operon trp, yang terdiri atas gen-gen penyandi enzim untuk
biosintesis triptofan merupakan contoh operon represi.
Pengaturan ekspresi gen pada eukariot
Hingga sekarang kita baru sedikit sekali mengetahui mekanisme pengaturan
ekspresi gen pada eukariot. Namun, kita telah mengetahui bahwa pada eukariot tingkat
tinggi gen-gen yang berbeda akan ditranskripsi pada jenis sel yang berbeda. Hal ini
menunjukkan bahwa mekanisme pengaturan pada tahap transkripsi, dan juga prosesing
mRNA, memegang peran yang sangat penting dalam proses diferensiasi sel.
Operon, kalau pun ada, nampaknya tidak begitu penting pada eukariot. Hanya pada
eukariot tingkat rendah seperti jamur dapat ditemukan satuan-satuan operon atau mirip
operon. Semua mRNA pada eukariot tingkat tinggi adalah monosistronik, yaitu hanya
160
membawa urutan sebuah gen struktural. Transkrip primer yang adakalanya menyerupai
polisistronik pun akan diproses menjadi mRNA yang monosistronik.
Selain itu, terindikasi juga bahwa diferensiasi sel sedikit banyak melibatkan
ekspresi seperangkat gen yang telah terprogram (preprogramed). Berbagai macam sinyal
seperti molekul-molekul sitoplasmik, hormon, dan rangsangan dari lingkungan memicu
dimulainya pembacaan program-program dengan urutan tertentu pada waktu dan tempat
yang tepat selama perkembangan individu. Bukti paling nyata mengenai adanya
keharusan urutan pembacaan program pada waktu dan tempat tertentu dapat dilihat pada
kasus mutasi yang terjadi pada lalat Drosophila, misalnya munculnya sayap di kepala di
tempat yang seharusnya untuk mata. Dengan mempelajari mutasi-mutasi semacam ini
diharapkan akan diperoleh pengetahuan tentang mekanisme pengaturan ekspresi gen
selama perkembangan normal individu.
Pada eukariot tingkat tinggi kurang dari 10 persen gen yang terdapat di dalam
seluruh genom akan terepresentasikan urutan basanya di antara populasi mRNA yang
telah mengalami prosesing. Sebagai contoh, hanya ada dua hingga lima persen urutan
DNA mencit yang akan terepresentasikan pada mRNA di dalam sel-sel hatinya.
Demikian pula, mRNA di dalam sel-sel otak katak Xenopus hanya merepresentasikan
delapan persen urutan DNAnya. Jadi, sebagian besar urutan basa DNA di dalam genom
eukariot tingkat tinggi tidak terepresentasikan di antara populasi mRNA yang ada di
dalam sel atau jaringan tertentu. Dengan perkataan lain, molekul mRNA yang dihasilkan
dari perangkat gen yang berbeda akan dijumpai di dalam sel atau jaringan yang berbeda
pula.
Dosis gen dan amplifikasi gen
Kebutuhan akan produk-produk gen pada eukariot dapat sangat bervariasi.
Beberapa produk gen dibutuhkan dalam jumlah yang jauh lebih besar daripada produk
gen lainnya sehingga terdapat nisbah kebutuhan di antara produk-produk gen yang
berbeda. Untuk memenuhi nisbah kebutuhan ini antara lain dapat ditempuh melalui dosis
gen. Katakanlah, ada gen A dan gen B yang ditranskripsi dan ditranslasi dengan efisiensi
yang sama. Produk gen A dapat 20 kali lebih banyak daripada produk gen B apabila
terdapat 20 salinan (kopi) gen A untuk setiap salinan gen B. Contoh yang nyata dapat
dilihat pada gen-gen penyandi histon. Untuk menyintesis histon dalam jumlah besar yang
161
dibutuhkan dalam pembentukan kromatin, kebanyakan sel mempunyai beratus-ratus kali
salinan gen histon daripada jumlah salinan gen yang diperlukan untuk replikasi DNA.
Salah satu pengaruh dosis gen adalah amplifikasi gen, yaitu peningkatan jumlah
gen sebagai respon terhadap sinyal tertentu. Sebagai contoh, amplifikasi gen terjadi
selama perkembangan oosit katak Xenopus laevis. Pembentukan oosit dari prekursornya
(oogonium) merupakan proses kompleks yang membutuhkan sejumlah besar sintesis
protein. Untuk itu dibutuhkan sejumlah besar ribosom. Kita mengetahui bahwa ribosom
antara lain terdiri atas molekul-molekul rRNA. Padahal, sel-sel prekursor tidak
mempunyai gen penyandi rRNA dalam jumlah yang mencukupi untuk sintesis molekul
tersebut dalam waktu yang relatif singkat. Namun, sejalan dengan perkembangan oosit
terjadi peningkatan jumlah gen rRNA hingga 4000 kali sehingga dari sebanyak 600 gen
yang ada pada prekursor akan diperoleh sekitar dua juta gen setelah amplifikasi. Jika
sebelum amplifikasi ke-600 gen rRNA berada di dalam satu segmen DNA linier, maka
selama dan setelah amplifikasi gen tersebut akan berada di dalam gulungan-gulungan
kecil yang mengalami replikasi. Molekul rRNA tidak diperlukan lagi ketika oosit telah
matang hingga saat terjadinya fertilisasi. Oleh karena itu, gen rRNA yang telah begitu
banyak disalin kemudian didegradasi kembali oleh berbagai enzim intrasel.
Jika waktu yang tersedia untuk melakukan sintesis sejumlah besar protein cukup
banyak, amplifikasi gen sebenarnya tidak perlu dilakukan. Cara lain untuk mengatasi
kebutuhan protein tersebut adalah dengan meningkatkan masa hidup mRNA (lihat bagian
pengaturan translasi).
Pengaturan transkripsi
Berdasarkan atas banyaknya salinan di dalam tiap sel, molekul mRNA dapat dibagi
menjadi tiga kelompok, yaitu (1) mRNA salinan tunggal (single copy), (2) mRNA
semiprevalen dengan jumlah salinan lebih dari satu hingga beberapa ratus per sel, dan (3)
mRNA superprevalen dengan jumlah salinan beberapa ratus hingga beberapa ribu per sel.
Molekul mRNA salinan tunggal dan semiprevalen masing-masing menyandi enzim dan
protein struktural. Sementara itu, mRNA superprevalen biasanya dihasilkan sejalan
dengan terjadinya perubahan di dalam suatu tahap perkembangan organisme eukariot.
Sebagai contoh, sel-sel eritroblas di dalam sumsum tulang belakang mempunyai sejumlah
besar mRNA yang dapat ditranslasi menjadi globin matang. Di sisi lain, hanya sedikit
162
sekali atau bahkan tidak ada globin yang dihasilkan oleh sel-sel prekursor yang belum
berkembang menjadi eritroblas. Dengan demikian, kita dapat memastikan adanya suatu
mekanisme pengaturan ekspresi gen penyandi mRNA superprevalen pada tahap
transkripsi eukariot meskipun hingga kini belum terlalu banyak rincian prosesnya yang
dapat diungkapkan.
Salah satu regulator yang diketahui berperan dalam transkripsi eukariot adalah
hormon, molekul protein kecil yang dibawa dari sel tertentu menuju ke sel target.
Mekanisme kerja hormon dalam mengatur transkripsi eukariot lebih kurang dapat
disetarakan dengan induksi pada prokariot. Namun, penetrasi hormon ke dalam sel target
dan pengangkutannya ke dalam nukleus merupakan proses yang jauh lebih rumit bila
dibandingkan dengan induksi oleh laktosa pada E. coli.
Secara garis besar pengaturan transkripsi oleh hormon dimulai dengan masuknya
hormon ke dalam sel target melewati membran sel, yang kemudian ditangkap oleh
reseptor khusus yang terdapat di dalam sitoplasma sehingga terbentuk kompleks hormonreseptor. Setelah kompleks ini terbentuk biasanya reseptor akan mengalami modifikasi
struktur kimia. Kompleks hormon-reseptor yang termodifikasi kemudian menembus
dinding nukleus untuk memasuki nukleus. Proses selanjutnya belum banyak diketahui,
tetapi rupanya di dalam nukleus kompleks tersebut, atau mungkin hormonnya saja, akan
mengalami salah satu di antara beberapa peristiwa, yaitu (1) pengikatan langsung pada
DNA, (2) pengikatan pada suatu protein efektor, (3) aktivasi protein yang terikat DNA,
(4) inaktivasi represor, dan (5) perubahan struktur kromatin agar DNA terbuka bagi
enzim RNA polimerase.
Contoh induksi transkripsi oleh hormon antara lain dapat dilihat pada stimulasi
sintesis ovalbumin pada saluran telur (oviduktus) ayam oleh hormon kelamin estrogen.
Jika ayam disuntik dengan estrogen, jaringan-jaringan oviduktus akan memberikan
respon berupa sintesis mRNA untuk ovalbumin. Sintesis ini akan terus berlanjut selama
estrogen diberikan, dan hanya sel-sel oviduktus yang akan menyintesis mRNA tersebut.
Hal ini karena sel-sel atau jaringan lainnya tidak mempunyai reseptor hormon estrogen di
dalam sitoplasmanya.
163
Pengaturan pada tahap prosesing mRNA
Dua jenis sel yang berbeda dapat membuat protein yang sama tetapi dalam jumlah
yang berbeda meskipun transkripsi di dalam kedua sel tersebut terjadi pada gen yang
sama. Fenomena ini seringkali berkaitan dengan adanya molekul-molekul mRNA yang
berbeda, yang akan ditranslasi dengan efisiensi berbeda pula.
Pada tikus, misalnya, ditemukan bahwa perbedaan sintesis enzim α-amilase oleh
berbagai mRNA yang berasal dari gen yang sama dapat terjadi karena adanya perbedaan
pola pembuangan intron. Kelenjar ludah menghasilkan α-amilase lebih banyak daripada
yang dihasilkan oleh jaringan hati meskipun gen yang ditranskripsi sama. Jadi, dalam hal
ini transkrip primernya sebenarnya sama, tetapi kemudian ada perbedaan mekanisme
prosesing, khususnya pada penyatuan (splicing) mRNA.
Pengaturan translasi
Berbeda dengan translasi mRNA pada prokariot yang terjadi dalam jumlah yang
lebih kurang sama, pada eukariot ada mekanisme pengaturan translasi. Macam-macam
pengaturan tersebut adalah (1) kondisi bahwa mRNA tidak akan ditranslasi sama sekali
sebelum datangnya suatu sinyal, (2) pengaturan umur (lifetime) molekul mRNA, dan (3)
pengaturan laju seluruh sintesis protein.
Telur yang tidak dibuahi secara biologi bersifat statis. Akan tetapi, begitu fertilisasi
terjadi, sejumlah protein akan disintesis. Hal ini menunjukkan bahwa di dalam sel telur
yang belum dibuahi akan dijumpai sejumlah mRNA yang menantikan datangnya sinyal
untuk translasi. Sinyal tersebut tidak lain adalah fertilisasi oleh spermatozoon, sedangkan
molekul mRNA yang belum ditranslasi itu dinamakan mRNA tersembunyi (masked
mRNA).
Pengaturan umur mRNA juga dijumpai pada telur yang belum dibuahi. Sel telur ini
akan mempertahankan diri untuk tidak mengalami pertumbuhan atau perkembangan.
Dengan demikian, laju sintesis protein menjadi sangat rendah. Namun, hal ini bukan
akibat kurangnya pasokan mRNA, melainkan karena terbatasnya ketersediaan suatu
unsur yang dinamakan faktor rekrutmen. Hingga kini belum diketahui hakekat unsur
tersebut, tetapi rupanya berperan dalam pembentukan kompleks ribosom-mRNA.
Sintesis beberapa protein tertentu diatur oleh aktivitas protein itu sendiri terhadap
mRNA. Sebagai contoh, konsentrasi suatu jenis molekul antibodi dipertahankan konstan
164
oleh mekanisme inhibisi atau penghambatan diri dalam proses translasi. Jadi, molekul
antibodi tersebut berikatan secara khusus dengan molekul mRNA yang menyandinya
sehingga inisiasi translasi akan terhambat.
Sintesis beberapa protein dari satu segmen DNA
Pada prokariot terdapat mRNA polisistronik yang menyandi semua produk gen.
Sebaliknya, pada eukariot tidak pernah dijumpai mRNA polisistronik, tetapi ada kondisi
yang dapat disetarakan dengannya, yakni sintesis poliprotein. Poliprotein adalah
polipeptida berukuran besar yang setelah berakhirnya translasi akan terpotong-potong
untuk menghasilkan sejumlah molekul protein yang utuh. Tiap protein ini dapat dilihat
sebagai produk satu gen tunggal.
Dalam sistem semacam itu urutan penyandi pada masing-masing gen tidak saling
dipisahkan oleh kodon stop dan kodon awal, tetapi dipisahkan oleh urutan asam amino
tertentu yang dikenal sebagai tempat pemotongan (cleavage sites) oleh enzim protease
tertentu. Tempat-tempat pemotongan ini tidak akan berfungsi serempak, tetapi bergantian
mengikuti suatu urutan.
165
166