REGULASI EKSPRESI GEN PADA ORGANISME EUKARYOT

advertisement
REGULASI EKSPRESI GEN PADA
ORGANISME EUKARYOT
• Morfologi dan fungsi berbagai tipe sel organisme tingkat tinggi
berbeda, misalnya: neuron mamalia berbeda dengan limfosit,
tetapi genomnya sama
• Difenrensiasi sel sifatnya ireversibel (kekal), dan terdapat
perbedaan yang nyata antar sel dari organ yang berbeda,
maka timbul hipotesis: proses diferensiasi sel menyebabkan
beberapa gen dari genom sel hilang
• Bukti saat ini: genom sel tetap, diferensiasi sel menyebabkan
perbedaan dalam ekspresi gen
• Perbedaan antar sel: perbedaan RNA dan protein, bukan
DNA
• Bukti bahwa genom tetap selama diferensiasi sel:
1. Katak: Sel telur + inti sel kulit Æ berudu
2. Wortel: potongan umbi Æ tanaman utuh
Suharsono. 2005. BTK505. IPB
Bukti bahwa selama diferensiasi genom sel tidak berubah
Sel dari umbi wortel Æ kalus Æ jaringan Æ tanaman utuh (akar, batang, daun, umbi)
Tidak ada gen yang hilang selama proses diferensiasi (spesialisasi) sel menjadi sel umbi
Inti sel kulit + sitoplasma sel telur Æ berudu
Tidak ada gen yang hilang selama diferensiasi
(spesialisasi) sel menjadi sel kulit
Pada organisme eukaryot, tidak semua gen
diekspresikan pada satu sel, terutama untuk
gen struktural
Contoh: gen yang diekspresikan di sel syaraf ≠
sel otot ≠ sel hati
Suharsono. 2005. BTK505. IPB
Sel yang berbeda mensintesis protein yang berbeda
• Diferensiasi: perbedaan antar sel
• Selain perbedaan, terdapat persamaan beberapa protein
diantara sel:
– Protein berlimpah: protein struktural dari sitoskeleton
dan kromosom, protein utama dari membran RE dan
golgi, protein ribosomal
– Protein tidak berlimpah: enzim yang terlibat dalam reaksi
sentral metabolisme
• Beberapa protein berlimpah di sel tertentu dimana protein
itu berfungsi dan tidak terdeteksi di sel lainnya, misalnya:
hemoglobin hanya terdapat di sel-sel darah merah.
• Sebagian besar protein yang disintesis dalam jumlah
berlebihan biasanya ditemukan pada berbagai jenis sel
yang berbeda, misal: sel otot vs sel syaraf; sel hati vs sel
paru-paru
Suharsono. 2005. BTK505. IPB
Kontrol ekspresi gen pada eukaryot
DNA
1. Kontrol transkripsi: kapan dan
berapa?
1
2. Kontrol pemrosesan RNA:
Bagaimana transkrip RNA primer
diproses?
Transkrip RNA primer
2
3. Kontrol transport: mRNA mana
yang akan dieksport ke sitosol?
4. Kontrol translasi: mRNA mana
yang akan diterjemahkan ke
dalam protein oleh ribosom
5. Kontrol degradasi mRNA:
beberapa mRNA didegradasi
6. Kontrol aktifitas protein: protein
mengalami aktivasi/inaktivasi
mRNA
Inti sel
3
mRNA
Sitosol
4
Protein
6
5
mRNA tidak aktif
Protein tidak aktif
Kontrol transkripsi yang paling dominan
mRNA sel hati ≠ mRNA sel otak
Suharsono. 2005. BTK505. IPB
Transkripsi in vitro “Nuclear run on”
NTP
5’
Lisis
3’
DNA
Inti sel
hnRNA radioaktif
Pelacak
Digunakan untuk membuat pelacak yang berupa hnRNA
yang dilabel dengan radioaktif
Suharsono. 2005. BTK505. IPB
Cara membuktikan adanya kontrol transkripsi
Suharsono. 2005. BTK505. IPB
Protein pengatur gen
•sekelompok protein yang dapat mengikat DNA secara spesifik
•mengaktifkan atau menghambat transkripsi
•jumlah: low copies/cell (1 molekul/3000 nukleosom atau 104 kopi/sel
mamalia)
•mengenal sekuen tertentu dari DNA (biasanya 8-15 nt)
•pengikatan protein ini pada DNA dapat merangsang (regulasi positif)
atau menghambat (regulasi negatif) transkripsi dari gen yang ada di
dekatnya
Regulasi ekspresi gen
Suharsono. 2005. BTK505. IPB
Proses pertumbuhan dan diferensiasi sel
‰Sebuah sel mengandung
banyak protein yang saling
berinteraksi untuk
mengontrol ekspresi gen.
‰Kombinasi beberapa
protein Æ tipe sel yang
spesifik
‰Protein regulator dapat
mengontrol ekspresi gen
penyandi regulator lainnya
Pengaruh protein pengatur gen (yang
baru) tergantung dari protein pengatur
yang sudah ada sebelumnya
Suharsono. 2005. BTK505. IPB
Protein master pengatur gen
Tingkatan gen regulator tidak sama. Protein master pengatur gen dapat
mengatur beberapa gen.
Contoh:
1.Mutasi homeotik pada
Drosophila: antennapedia
Æ karena adanya
perubahan protein tunggal
(protein master)
2. Mutasi protein (tunggal)
regulator (reseptor untuk
hormon sterois testoteron)
Æ orang XY (laki-laki) Æ
menyerupai wanita
Suharsono. 2005. BTK505. IPB
Metilasi
‰Pada eukaryot terjadi pada basa sitosin (~ 3% sitosin mengalami
metilasi)
‰Terjadi pada CGCG atau CCGG
‰Menghambat ekspresi gen ybs
‰Dipertahankan pada generasi berikutnya oleh maintenance DNA
methylase
Pada saat replikasi, sitosin tidak mengalami
metilasi
Maintenance DNA methylase menambahkan
gugus metil pada sitosin
Suharsono. 2005. BTK505. IPB
Metilasi (lanjutan)
1
2
Analisis metilasi DNA:
Enzim restriksi
1. MspI Æ CCGG dan CC*GG
2. HpaII Æ CCGG tapi tidak CC*GG
kb
10
7
1
2
3
CCGG
CC*GG
Metilasi berperan dalam proses cancerogenesis dengan
menghambat terjadinya cancer. Cancerigen (bahan
carcinogenik) merupakan inhibitor bagi maintenance DNA
methylase Æ ekspresi berlebihan dari suatu gen.
5-azacytidine Æ Inhibitor bagi maintenance DNA methylase
Æ tumor pada tikus
Suharsono. 2005. BTK505. IPB
Hormon
ƒZat yang dihasilkan oleh kelenjar endokrin, terlarut dalam darah, dibawa
ke sel sasaran lewat aliran darah
ƒBerperan dalam regulasi sintesis protein terutama pada vertebrata (man)
Mekanisme
1.Hormon yang masuk kedalam sel
‰Larut dalam air sehingga tidak bisa melewati membran
lipid dari sel (contoh: adrenalin, glukagon)
‰Beraksi lewat perantara cAMP yang terbentuk di
dalam sel (sebagai second messenger)
™ Pada sel sasaran, hormon dikenali oleh reseptor
pada membran luar sel. Interaksi hormon-reseptor
Æ rentetan reaksi sehingga terbentuk cAMP. cAMP
mengaktifkan serangkaian reaksi di dalam sel
•Second messenger lainnya: IP3 (inositol trifosfat); DG
(diacylglycerol) yang terbentuk dari PIP2
(phosphatidylinositol diphosphate)
Suharsono. 2005. BTK505. IPB
2. Hormon yang masuk kedalam sel
‰Larut dalam lemak Æ melewati membran sel
‰BM kecil
‰Hormon steroid (misal: Estrogen)
‰Problem transport dalam darah Æ diangkut oleh transporter protein
Hormon yang masuk ke dalam
sel berinteraksi dengan reseptor
spesifik Æ afinitas terhadap
DNA Æ transkripsi (sintesis
protein)
Suharsono. 2005. BTK505. IPB
Enhancer
Urutan DNA yang mempengaruhi promoter, menstimulasi ekspresi gen (~
aktivator)
Karakteristik
ƒAktif pada gen yang jauh jaraknya (ribuan nukleotida)
ƒTerletak sebelum atau sesudah gen
ƒDapat diregulasi oleh faktor yang bisa berdisfusi
Contoh:
Enhancer dari gen early SV40 bila difusikan dengan gen β-globin (jarak
3 kb) Æ transkripsi β-globin meningkat 100x
Regulator (aktivator)
Suharsono. 2005. BTK505. IPB
Faktor transkripsi yang umum
‰Transkripsi pada eukaryot lebih kompleks
daripada prokaryot
‰Transkripsi Æ polimerase eukaryot (RNA pol II)
mengenali kompleks DNA-protein
‰Bagian yang penting dari kompleks DNAprotein: faktor TATA = Transcription factor IID
(TFIID) Æ protein yang mengikat TATA box
(TATAAA pada –25 sampai –30)
‰TFIID-Faktor TATA Æ aktivitas promoter, awal
inisiasi sintesis RNA
‰Semua RNA pol II mengenali promoter bila ada
TFIID, sehingga TFIID merupakan perangkat
yang penting bagi terjadinya transkripsi
‰TFIID-Faktor TATA Æ stabil, sehingga dapat
dibaca berulangkali oleh RNA pol II
ƒKebanyakan fungsi aktivator pada eukaryot
adalah mempertemukan faktor TATA dengan
DNA promoter
Suharsono. 2005. BTK505. IPB
Aktivator GAL4
Aktivator pada umumnya
mempunya paling sedikit 2 domain
(bagian): aktivasi dan penempelan
pada DNA yang tidak saling
mempengaruhi (independen)
GAL4
Æaktivasi gen-gen penyandi enzim
untuk konversi galaktosa menjadi
glukosa
Æ2 bagian
GAL4 mengikat DNA promoter untuk
memudahkan TFIIB melekat dalam kompleks
transkripsi
Transkripsi meningkat 1000x
Suharsono. 2005. BTK505. IPB
GAL4 pada Saccharomyces cereviseae
Suharsono. 2005. BTK505. IPB
Download