EKSPRESI GEN: Replikasi, transkripsi, post

EKSPRESI GEN
Dyah Ayu Widyastuti
Ekspresi Gen
• Gen  sekuen DNA dengan panjang minimum tertentu
yang mengkode urutan lengkap asam amino suatu
polipeptida, atau RNA (mRNA, tRNA, rRNA)
Ekspresi Gen
• Enam tahapan kontrol ekspresi gen
From gene to protein
Ekspresi Gen
Replikasi DNA
Replikasi DNA
• Komponen
1. Template (DNA cetakan)
2. Origin of replication (ori)
3. Protein
a. DnaA, DnaB, DnaC: mengenali ori dan memisahkan
untai
b. Rep protein, SSB (single-stranded binding) protein
4. Nukleotida: dATP, dTTP, dGTP, dCTP
5. Enzim
gyrase, helikase, primase, DNA polimerase, ligase
Replikasi DNA
• Pelipatgandaan molekul DNA
Replikasi DNA
Replikasi DNA
• Enzim yang berperan dalam replikasi DNA
1. Gyrase
2. Helikase
3. Primase
4. DNA polimerase
5. Ligase
• Terdapat 3 keluarga enzim DNA polimerase, yaitu DNA
polimerase I, DNA polimerase II, dan DNA polimerase III
Replikasi DNA
Replikasi DNA
• Transkripsi (DNA 
RNA) berlangsung
di nukleus
• Translasi (RNA 
protein)
berlangsung di
sitoplasma dan RE
kasar
Transkripsi
• Merupakan tahapan pembentukan/sintesis mRNA
(messager RNA) dari DNA template
Transkripsi
• Enzim yang berperan dalam transkripsi  RNA polimerase
1. Pada Prokaryotik: hanya memiliki satu RNA polimerase
 sintesis mRNA, r RNA, dan tRNA
 transkripsi dan translasi berpasangan
2. Pada Eukaryotik: memiliki tiga RNA polimerase
a. RNA polimerase I: sintesis rRNA
b. RNA polimerase II: sintesis mRNA
c. RNA polimerase III: sintesis tRNA dan 5S rRNA
• Pada organisme Eukaryotik, transkripsi dan translasi
terjadi pada lokasi yang berbeda
Tahapan Transkripsi
• Inisiasi (Initiation)
- pada ujung 5’ gen
- pengikatan RNA polimerase pada promotor
- pemutusan molekul DNA
• Elongasi (Elongation)
- penambahan nukleotida pada ujung 3’ rantai
pemanjangan (growing chain)
- basa dipasangkan secara komplemen
- sumber energi dari substrat NTP
• Terminasi (Termination)
- pada ujung 3’ gen
Transkripsi
Penambahan Nukleotida pada Transkripsi
Pemasangan Basa (Base Pairing)
saat Transkripsi
Replikasi vs. Transkripsi
Seluruh untai DNA bereplikasi
Hanya segmen/fragmen pendek DNA
yang ditranskripsi
Nukleotida ditambahkan pada salah
Nukleotida ditambahkan pada salah
satu ujung saja
satu ujung saja
DNA polimerase
RNA polimerase
A, T, G, C
A, U, G, C
A = T dan C = G
A = U; C = G; dan T = A
Double helix (double strand)
Single strand
Transkripsi
Contoh
• Terjemahkan DNA template di bawah ini menjadi mRNA!
5’-GCTAATCTTGGATGCGTCAAGTCCCTAGCT-3’
3’-CGATTAGAACCTACGCAGTTCAGGGATCGA-5’
3’-TAGCGTTAGATCCGGTAATACGTGAGCCGTA-5’
5’-ATCGCAATCTAGGCCATTATGCACTCGGCAT-3’
5’-TCGTGCTGATAGCTAAGGCTCGGTATATCCG-3’
3’-AGCACGACTATCGATTCCGAGCCATATAGGC-5’
Regulasi Pasca Transkripsi
(Post-transcriptional Regulation)
• Pada fase pasca transkripsi (post-transcriptional), terjadi
beberapa proses yang unik pada Eukaryotik:
1. capping  penambahan tudung (cap) pada ujung 5’
mRNA
2. poliadenilasi  penambahan gugus poli-A pada ujung
3’ mRNA
3. RNA splicing  pemotongan dan penyambungan RNA
4. RNA editing  penyuntingan mRNA
Regulasi Pasca Transkripsi
(Post-transcriptional Regulation)
1. Capping
 metilasi (penambahan gugus metil), yang sebagian
besar terakumulasi pada ujung 5’ mRNA
Struktur ini kemudian dikenal sebagai tudung mRNA
(mRNA cap), berupa molekul 7-metilguanosin (m7G)
Fungsi mRNA cap:
1. melindungi mRNA dari degradasi
2. meningkatkan efisiensi translasi mRNA
3. meningkatkan pengangkutan mRNA dari nukleus ke
sitoplasma
4. meningkatkan efisiensi proses splicing mRNA
Regulasi Pasca Transkripsi
(Post-transcriptional Regulation)
2. Poliadenilasi
 rantai poli-A ditambahkan pasca-transkripsi karena
tidak ada bagian gen yang mengkode rangkaian A atau
T semacam ini
- penambahan dilakukan dengan menggunakan aktivitas
enzim poli(A)-polimerase
- fungsi poliadenilasi: meningkatkan stabilitas mRNA
sehingga mRNA sehingga mRNA mempunyai umur
yang lebih panjang dibandingkan dengan mRNA yang
tidak memiliki poli-A
Regulasi Pasca Transkripsi
(Post-transcriptional Regulation)
3. RNA splicing
transkripsi
Gen (ekson & intron)
Pre-mRNA
Intron dipotong
dari pre-mRNA
Mature mRNA
Ekson-ekson
disambung
Regulasi Pasca Transkripsi
(Post-transcriptional Regulation
4. RNA editing
 misalnya terjadi pada sekuens mRNA sitokrom
oksidase III (COIII) Trypanosoma brucei sepanjang
731 nukleotida
ditambahkan 407 uridine (U) melalui proses
editing/penyuntingan
 penyuntingan selalu terjadi pada ujung 3’
 penyuntingan dilakukan oleh molekul RNA, yang
disebut guide RNA (gRNA)
Regulasi Pasca Transkripsi
(Post-transcriptional Regulation)
…lanjutan
Translasi
• Proses pembacaan
kodon dan
menggabungkan asam
amino melalui ikatan
peptida
• mRNA dibaca pada
ribosom
• tRNA membawa asam
amino ke ribosom
• Asam amino
dikombinasi untuk
membentuk protein
Translasi
• mRNA ditranslasi di dalam ribosom dengan
•
•
•
•
•
•
menggunakan tRNA sebagai molekul adaptor
Sekuen nukleotida dibaca setiap 3 basa
Setiap triplet atau 3 basa tersebut disebut kodon
Setiap kodon mengkode asam amino
Setiap asam amino bisa dikode oleh satu atau lebih
kodon
Sejumlah 64 kodon yang mungkin diekspresikan menjadi
asam amino tertentu disebut kode genetik
Kode genetik menghasilkan 20 asam amino yang
berbeda
Kode Genetik
Kode Genetik
Translasi
Translasi
• Komponen proses translasi
1. mRNA
2. ribosom
3. tRNA bersama dengan asam amino
4. enzim
• Tahapan translasi:
1. Inisiasi
2. Elongasi
3. Terminasi
Inisiasi
• tRNA inisiator berikatan
dengan subunit kecil pada
ribosom
• Subunit kecil/kompleks tRNA
berikatan dengan mRNA
kemudian bergerak
sepanjang sekuen tersebut
menuju ke start kodon
(AUG)
• Subunit besar pada ribosom
bergabung pada kompleks
yang telah terbentuk
Elongasi
• mRNA melewati subunit ribosom (ribosomal subunit)
• tRNA menghantarkan asam amino ke sisi pengikatan
ribosom (ribosomal binding site) sesuai dengan
sekuen/urutan pada mRNA
• Asam amino-asam amino berikatan dengan terbentuknya
ikatan peptida
Terminasi
• Stop kodon
bergerak
menempatkan diri
• Tidak ada tRNA
yang membawa
antikodon
• Faktor rilis
(release factors)
berikatan dengan
ribosom
• mRNA dan
polipeptida
dilepaskan
Regulasi Pasca Translasi
(Post-translational regulation)
• Proofreading merupakan sistem koreksi jika terjadi
kesalahan dalam penggabungan aminoasil-tRNA pada
ribosom
• Akurasi translasi ditentukan saat penambahan muatan
pada tRNA (tRNA charging) dan saat aminoasil-tRNA
melekat pada sisi A ribosom.
Transkripsi-Translasi
Produk Ekspresi Gen
• Hipotesa Garrod oleh Archibald E. Garrot:
sebuah gen – sebuah enzim
sebuah gen mutan – sebuah blok metabolisme
• Diubah oleh G. W. Beadle dan E. L. Tatum, menjadi:
sebuah gen – sebuah polipeptida
• Karena produk gen tidak selalu berupa protein fungsional
(enzim), namun bisa juga berupa protein struktural
• Blok metabolisme, oleh Garrod dinamakan kesalahan
metabolisme bawaan, contoh: albino