Regulasi Ekspresi Gen

Tim Penyusun: Aris Tjahjoleksono, Muhammad Jusuf, Alex Hartana, Suharsono
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Regulasi Ekspresi Gen
Oleh: Muhammad Jusuf
Jurusan Biologi FMIPA, Institut Pertanian Bogor
Kampus IPB Baranangsiang, Jalan Raya Pajajaran. Bogor
Tel/Fax: (0251) 345011.
E-mail: [email protected]
Pada modul terdahulu telah dijelaskan proses ekspresi gen, yaitu proses
transformasi informasi genetik melalui transkripsi dan translasi, untuk
pembentukan protein atau enzim. Karena protein dan enzim sangat berperan dalam
menjalankan metabolisme maka ekspresi gen sebenarnya merupakan proses
pengendalian metabolisme oleh gen. Pada modul ini akan dijelaskan bahwa
ekspresi gen atau sintesis protein dapat diatur, dihidupkan atau dimatikan,
sebagaimana layaknya aliran listrik. Enzim merupakan katalisator yang berperan
menjalankan proses reaksi metabolisme, keberadaan enzim akan menentukan
berjalannya proses metabolisme. Bila suatu produk metabolisme di dalam sel
sudah mencapai kuantitas yang mencukupi maka reaksi metabolisme tersebut
harus dihentikan. Proses pengaturan ini dilakukan dengan cara menghentikan
produksi enzim, melalui penghentian ekspresi gen penyandinya. Mekanisme
pengaturan ekspresi gen disebut regulasi ekspresi gen.
Halaman
1
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Masih termasuk kedalam regulasi ialah proses diferensiasi sel pada eukariot
multiselular. Semua mahluk hidup termasuk manusia berasal dari satu sel,
sehingga semua sel yang berasal dari sel awal ini akan mempunyai kandungan
genetik yang sama. Melalui proses diferensiasi dihasilkan berbagai jaringan dan
organ yang mempunyai bentuk dan fungsi yang berbeda-beda. Dalam suatu organ
disintesis suatu produk, sedangkan pada organ lain disintesis produk yang lain.
Jadi walaupun semua sel tersebut mempunyai kandungan genetik yang sama,
ternyata terdapat gen-gen yang diekspresikan hanya pada organ tertentu.
Regulasi pada prokariot
Regulasi ekspresi gen banyak dimengerti melalui mekanisme yang
dipelajari pada bakteri. Sistem regulasi yang pertama dimengerti ialah sistem
regulasi operon laktosa pada bakteri E. coli oleh Jacob dan Monod. Regulasi ini
berperan dalam mengatur produksi enzim β−galaktosidase, ketika bakteri harus
memilih menggunakan laktosa atau glukosa sebagai sumber karbonnya.
Berikut ini akan dijelaskan dua sistem regulasi yang paling umum dilakukan
pada bakteri, yaitu sistem operon laktosa (operon lac) dan sistem operon triptopan
(operon trp). Pada operon lac ekspresi gen diatur pada tingkat promotor, yaitu
mengatur kontak antara promotor dengan enzim transkriptase (pengendali
transkripsi). Pada operon trp ekspresi diatur dengan cara menghentikan transkripsi
bila produk trankripsi, yaitu triptofan, sudah mencapai kuantitas yang dibutuhkan.
Halaman
2
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Sistem Regulasi Operon laktosa
Laktosa adalah gula bisakarida, yaitu gula yang tersusun atas dua molekul
gula sederhana, yaitu glukosa dan galaktosa. Laktosa dapat diuraikan menjadi
glukosa dan galaktosa dengan bantuan enzim β−galaktosidase.
Bakteri E. coli dalam hidupnya dapat memanfaatkan baik laktosa maupun
glukosa tergantung gula mana yang tersedia dilingkungan. Bakteri E. coli
mempunyai kemampuan mensisntesis β−galaktosidase sehingga bila laktosa yang
dimanfaatkan sebagai sumber karbon maka bakteri tersebut akan mampu
mengubah laktosa menjadi glukosa dan galaktosa. Namun bila tersedia laktosa dan
glukosa maka bakteri akan memilih glukosa sebagai sumber karbon, karena
glukosa merupakan gula yang lebih langsung dimanfaat dalam proses
metabolisme.
Kemampuan bakteri untuk memilih laktosa dan glukosa sebagai sumber
karbon telah memunculkan pertanyaan apakah bakteri akan tetap mensintesis
β−galaktosidase seandainya glukosa yang jadi pilihan. Jawabannya ialah bahwa
bakteri mampu mengatur ekspresi gen penyandi β−galaktosidase sesuai dengan
pilihan sumber karbon yaitu laktosa atau glukosa.
Halaman
3
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Pengaturan ekspresi gen ini disebut sistem regulasi ekspresi gen; dan sistem
ini pertama kali dijelaskan oleh Jacob dan Monod. Sistem regulasi yang
ditemukan oleh mereka sekarang dikenal sebagai sistem regulasi operon laktosa,
Sistem regulasi ini merupakan sitem regulasi pada tingkat inisiasi transkripsi atau
regulasi pada tingkat promotor.
Dalam penjelasannya Jacob dan Monod memperkenalkan istilah operon,
yang mempunyai pengertian sekelompok gen yang diapit secara bersamaan oleh
sepasang promotor dan terminator. Gen-gen pada satu operon akan diekspresikan
secara bersamaan melalui inisiasi transkripsi pada promotor yang sama dan
berakhir pada terminator yang sama. Pada operon laktosa terdapat tiga gen yaitu
lac-Z, lac- Y, dan lac-A, yang masing-masing menyandikan β−galaktosidase,
permease, dan transasetilase. Gen-gen yang berada pada satu operon mempunyai
hubungan fungsi dalam metabolisme.
Pengaturan ekspresi operon laktosa dilakukan oleh suatu protein regulator
yang akan berinteraksi dengan promotor. Protein regulator tersebut akan
menentukan inisiasi translasi yang dilakukan oleh transkriptase. Protein pengatur
dihasilkan oleh gen regulator, yaitu gen yang produk ekspresinya berperan
mengatur ekspresi gen lain. Dalam kasus operon laktosa terdapat dua gen
regulator yaitu gen lac-i dan gen crp. Gen lac-i berhubungan dengan kehadiran
laktosa, sedangkan gen crp berhubungan dengan kehadiran glukosa. Gen yang
diatur tersebut dinamakan gen struktural, sebagai contoh gen lac-Z, lac-Y, dan
lac-A pada operon laktosa. Jadi gen regulator berperan mengatur ekspresi gen
struktural.
Halaman
4
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Gen lac-i akan menghasilkan suatu polipeptida, yang kemudian setiap
empat polipeptida akan membentuk satu molekul protein tetramer yang berperan
sebagai regulator. Dalam proses regulasi protein tetramer ini akan menempel pada
suatu wilayah promotor yang disebut operator. Penempelan itu terjadi karena ada
kecocokan tertentu antara runtunan basa operator dengan protein regulator. Akibat
adanya protein regulator yang menempati wilayah operator maka transkriptase
tidak dapat melakukan inisiasi translasi, sehingga gen-gen yang terdapat di
belakang promotor menjadi tidak terekspresi. Protein regulator seperti di atas
bersifat menghalangi atau menekan terjadinya transkripsi, maka disebut inhibitor.
Lawan sifat dari represor disebut aktivator, yaitu yang bersifat mendorong
terjadinya ekspresi gen.
Kehadiran laktosa pada media tumbuh akan mendorong terjadinya ekspresi
operon laktosa atau terjadi sintesis β−galaktosidase. Berarti kehadiran laktosa
harus mampu melepaskan protein regulator dari promotor agar terjadi ekspresi gen
lac-Z, untuk menghasilkan β−galaktosidase. Dalam sistem regulasi ini laktosa
yang diambil oleh bakteri dapat berinteraksi dengan protein regulator dan asosiasi
yang akan mengubah konfigurasi molekul protein regulator. Perubahan
konfigurasi pada protein represor menyebabkan protein tersebut menjadi tidak
mampu berasosiasi dengan operator. Dengan tidak adanya inhibitor pada promotor
maka transkriptase menjadi tidak terhalang untuk melakukan inisiasi transkripsi,
dan terjadi ekspresi gen-gen pada operon laktosa.
Halaman
5
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Selain oleh kehadiran laktosa ekspresi operon lac juga diatur oleh
keberadaan glukosa. Bila bakteri telah mengkonversi laktosa menjadi glukosa, dan
bila kuantitas glukosa sudah mencukupi maka β−galaktosidase harus dihentikan
sintesisnya. Regulasi oleh glukosa ini disebut represi katabolit atau represi
glukosa. Proses regulasi ini melibatkan tiga komponen yaitu glukosa, cAMP
(cyclic AMP), dan CAP (protein aktivator/ represor). CAP merupakan protein
yang berperan mengaktifkan enzim transkriptase, protein ini disandikan oleh gen
regulator crp. Asosisasi antara CAP dengan transkriptase menyebabkan
transkriptase menjadi aktif dan mampu mengkatalisis proses transkripsi; tanpa
CAP transkriptase menjadi tidak aktif.
Glukosa mengatur aktivitas CAP melalui pengaturan cAMP. Antara CAP
dan cAMP dapat terbentuk asosiasi, dan asosiasi ini akan menyebabkan CAP aktif
berperan sebagai aktivator; CAP yang terbebas dari cAMP tidak dapat berperan
sebagai aktivator. Kuantitas cAMP berbanding terbalik dengan kuantitas glukosa.
Saat glukosa di dalam sel berjumlah kecil cAMP ditemukan berada dalam jumlah
yang besar, dan bila kuantitas glukosa dalam sel meningkat maka cAMP akan
menurun. Dalam keadaan kuantitas rendah cAMP tidak dapat berasosiasi dengan
CAP, akibatnya CAP tidak dapat menjadi aktivator. Jadi pada saat glukosa rendah
cAMP berada dalam jumlah besar dan membentuk asosiasi cAMP-CAP yang
berperan menjadi aktivator enzim transkriptase, sehingga terjadi transkripsi
operon laktosa. Ketika glukosa meningkat sampai jumlah tertentu cAMP menurun
sehingga tidak terbentuk asosiasi cAMP-CAP, dan CAP tidak dapat berperan
sebagai aktivator dan transkripsi operon laktosa tidak berlangsung
Halaman
6
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Pada kenyataannya regulasi oleh laktosa dan glukosa atau oleh lac-i dan crp
berjalan secara simultan. Protein inhibitor dan aktivator bekerja secara bersamaan
dalam mempengaruhi kerja transkriptase. Pada Tabel diperlihatkan hasil
kombinasi kerja antara kedua gen tersebut. Terlihat bahwa β−galaktosidase akan
disintesis hanya pada kondisi kehadiran laktosa dan tidak ada glukosa.
Laktosa
hadir
hadir
tidak hadir
tidak hadir
Represor/
Lac-i
tidak aktif
tidak aktif
aktif
aktif
Glukosa
cAMP
cAMP-CAP
β-galaktosidase
hadir
tidak hadir
hadir
tidak hadir
rendah
tinggi
rendah
tinggi
tidak terbentuk
terbentuk
tidak terbentuk
terbentuk
tidak terekspresi
tereskpresi
tidak terekspresi
tidak terekspresi
Sistem Regulasi Operon trp
Pada operon trp terdapat lima gen struktural yaitu trp-E, trp-D. trp-C, trp-B,
dan trp-A, dan satu gen pengawal yaitu trp-L yang berfungsi dalam regulasi. Gen
trp-E sampai trp-A keseluruhannya menyandikan enzim yang berperan dalam satu
lintasan metabolisme triptofan. Trp-L merupakan gen yang paling dekat pada
promotor.
Regulasi ekspresi operon trp berbeda dengan regulasi operon lac; pada
operon lac regulasi dilakukan pada tingkat inisiasi atau pada tingkat promotor,
sedangkan regulasi operon trp berlangsung pada tingkat RNA hasil transkripsi.
Pada operon trp satu gen pengawal (trp-L) yang terletak tepat di belakang
promotor, berfungsi sebagai regulator. Inisiasi transkripsi, pada promotor, akan
berjalan tanpa hambatan dan transkriptase masuk ke ruas trp-L.
Halaman
7
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Regulasi berlangsung pada saat enzim transkriptase berada pada ruas trp-L, yang
akan menentukan apakah transkripsi akan berhenti pada trp-L atau dilanjutkan ke
ruas gen yang ada di belakangnya (trp-E sampai trp-A).
Dalam keadaan sel kekurangan triptofan dengan adanya ekspresi gen-gen
pada operon trp maka akan terjadi peningkatan kuantitas triptofan dalam sel.
Kuantitas tiptofan dalam sel akan mengendalikan ekspresi gen-gen pada operon
ini, yaitu pada konsentrasi tertentu triptofan akan menghentikan ekspresi gen-gen
tersebut. Regulasi oleh triptofan berhubungan dengan ruas trp-L. Pada ruas trp-L
terdapat dua kodon yang berhubungan dengan asam amino triptofan yaitu kodon
yang terletak pada basa 54 sampai 59. Saat transkripsi sedang berjalan pada ruas
gen trp-L, RNA yang dihasilkan transkripsi tersebut juga mulai dibaca oleh
ribosom atau ditranslasikan. Ribosom akan berjalan membaca kodon-kodon yang
terdapat RNA tersebut dan merangkaikan berbagai asam amino yang sesuai.
Pergerakan ribosom akan berjalan lancar selama tersedia amino-asil-tRNA yang
cocok dengan kodon yang dibaca ribosom tersebut. Pada saat kuantitas triptofan
dalam sel belum mencukupi tidak akan terbentuk triptofal-tRNA (amino-asiltRNA untuk triptofan), sehingga ketika ribosom mencapai kodon trp, basa 54
sampai basa 59, tidak akan ada tRNA yang berasosisasi pada ribosom, dan
ribosom akan berhenti pada kodon tersebut. Ketika jumlah triptofan sudah
mencukupi maka akan terbentuk triptofal-tRNA dan ribosom dapat membaca
kedua kodon trp tersebut (basa 54 sampai basa 59) dan melanjutkan translasi
kodon-kodon selanjutnya. Kejadian berhenti atau berjalannya ribosom pada kodon
trp akan menentukan apakah proses transkripsi operon trp akan berjalan masuk ke
gen trp-E atau berhenti pada ruas gen trp-L.
Halaman
8
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Ruas gen pengawal trp-L terbagi atas 4 ruas.
homolog
satu
dengan
yang
lainnya,
sehingga
Keempat ruas tersebut
ruas-ruas
RNA
yang
ditranskripsikannya dapat membentuk pasangan satu sama lain. Ruas-2 dapat
berpasangan dengan ruas-1 dan ruas-3, sedangkan ruas-3 selain berpasangan
dengan ruas-2 juga dapat berpasangan dengan ruas-4.
Ruas-3 dan ruas-4
merupakan bentuk dari terminator dari gen trp-L, sehingga bila pada RNA kedua
ruas ini berpasangan (pasangan 3-4) maka akan terbentuk struktur jepit rambut,
yang merupakan signal akhir transkripsi, yang akan berakibat transkripsi berhenti.
Regulasi pada tingkat RNA berlangsung melalui pengaturan pembentukan
pasangan 3-4 (struktur jepit rambut terminator). Terjadinya perpasangan 3-4 dapat
dicegah seandainya ruas-3 berpasangan dengan ruas-2.
Telah dijelaskan pada alinea terdahulu bahwa keberadaan ribosom pada
basa 54-59 (pada trp-L) akan menentukan apakah transkripsi operon trp akan
berhenti pada ruas trp-L atau berlanjut ke trp-E.. Bila kuantitas triptofan di dalam
sel belum mencukupi maka tidak akan terbentuk triptofal-tRNA, sehingga ribosom
akan berhenti pada basa 54-59, ruas-2 akan terbebas dari ribosom sehingga dapat
berpasangan dengan ruas-3 (pasangan 2-3). Pada kondisi ini tidak akan terbentuk
pasangan 3.4 atau struktur jepit rambut terminator, sehingga transkripsi tidak
berhenti pada ujung trp-L; melainkan terus dilanjutkan ke ruas gen trp-E dan
seterusnya. Bila triftofan dalam sel telah mencukupi maka ribosom tidak akan
berhenti pada basa 54-59, karena akan tersedia triptofal-tRNA; ribosom akan
bergerak masuk ke ruas-2.
Halaman
9
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Akibat kehadiran ribosom pada ruas-2 maka ruas-3 terbebas dari
perpasangan dengan ruas-3, dan akan berpasangan dengan ruas-4 membentuk
pasangan 3-4 atau struktur jepit rambut. Dalam kondisi ini maka transkripsi akan
berakhir pada ujung trp-L, sehingga ruas trp-E dan yang lainnya tidak akan
tertranskripsikan.
Regulasi pada eukariot bersel ganda
Bagian terbesar dari eukariot adalah mahluk bersel banyak. Regulasi ekspresi
gen berjalan pada berbagai tingkatan, mulai dari tingkat gen sampai tingkat
jaringan. Regulasi ini berjalan sehubungan dengan proses diferensiasi sel, dalam
rangka pembentukan berbagai jaringan dan organ, dan juga berjalan karena ada
kebutuhan tertentu, yang berhubungan dengan siklus biologi.
Diferensiasi sel
Pada tingkat dewasa eukariot tingkat tinggi mengandung banyak jenis sel dan
organ yang berbeda bentuk dan fungsi. Karena berawal dari satu sel zigot yang
sama Sel-sel tersebut akan mempunyai total genom yang sama. Namun ditemukan
bahwa pada masing-masing sel tidak keseluruhan gen dari genom tersebut dapat
berekspresi; terdapat gen yang secara spesifik berekspresi pada jaringan tertentu.
Sebagai contoh: gen penyandi insulin berekspresi hanya pada pankreas.
Proses diferensiasi sel berjalan bersamaan dengan proses pertumbuhan dan
perkembangan individu. Bersamaan dengan proses mitosis, saat membentuk sel
baru, terjadi proses pengkhususan sel anak dengan cara membedakan gen-gen
yang akan berekspresi pada kedua sel anak tersebut. Terjadi pemilihan gen yang
secara permanen berkspresi dan gen yang secara permanen tidak berkepresi.
Halaman
10
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Inti sel hasil diferensiasi ini sulit atau tidak mungkin berbalik ke kondisi sel awal.
Namun demikian inti sel tersebut tidak kehilangan total potensi dari gen-gennya.
Potensi ini yang tidak muncul kembali dalam proses perkembangan sel atau
jaringan, masih dapat muncul melalui proses rekayasa lingkungan. Sebagai contoh
dalam perbanyakan vegetatif dengan pembuatan cangkok tanaman, para petani
berhasil merangsang pertumbuhan akar pada sel batang yang telah terdiferensiasi,
dengan cara memotong jaringan pada kulit luar dahan tanaman.
Dalam rangka mempelajari potensi genetik dari sel yang telah terdiferensiasi
Gurdon pada tahun 1962, telah melakukan percobaan dengan menyuntikkan inti
dari sel yang terdiferensiasi yaitu jaringan epithelium intestinal, kedalam sel telur
berudu. Ternyata dari sel telur yang membawa inti sel terdiferensiasi tersebut
dapat dihasilkan kodok yang sempurna. Percobaan ini menunjukan bahwa inti sel
yang telah terdiferensiasi tidak kehilangan potensinya, semua sel dalam ekspresi
gennya mempunyai potensi yang sama dengan sel awal. Kemampuan tersebut
dinamakan totipotensi. Percobaan ini juga memperlihatkan bahwa inti sel
dipengaruhi oleh lingkungan sitoplasma. Penerapan percobaan pada kambing telah
berhasil dilakukan dengan menghasilkan domba yang diberi nama Doly. Anak
domba ini merupakan hasil injeksi inti sel dari jaringan kelenjar susu ke dalam sel
telur.
Regulasi pada tingkat struktrur kromosom
Di atas dijelaskan bahwa diferensiasi sel merupakan hasil pemilihan gen-gen
yang diekspresikan atau tidak diekspresikan pada sel. Munculnya sel yang
terspesialisasi merupakan hasil dari pemilihan gen-gen yang harus berekspresi
dang gen-gen yang tidak diaktifkan.
Halaman
11
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Regulasi ekspresi gen pada eukariot berlangsung pada beberapa tingkat, mulai dari
tingkat struktur kromosom sampai pada tingkat pascatranslasi.
Kromosom eukariot tersusun atas dua komponen: DNA dan protein histon.
DNA merupakan bahan dasar gen yang mengandung informasi untuk
mengendalikan kehidupan, dan histon berfungsi untuk melindungi DNA dari
kerusakan mekanik, misal putus saat bergerak pada waktu mitosis atau meiosis.
Kromosom yang nampak di bawah mikrosokop cahaya pada saat mitosis atau
meiosis merupakan hasil penggulungan DNA pada histon. Penggulunangan ini
berlangsung melalui beberapa tingkat. Kromosom yang berada dalam keadaan
aktif, yaitu pada fase di luar mitosis atau meiosis secara umum berada dalam
keadaan tidak tergulung.
Sedangkan komosom yang berada dalam keadaan
tergulung, gennya tidak akan berekspresi. Gen-gen yang secara permanen tidak
diekspresikan pada suatu jaringan kemungkinan besar DNAnya (bersama denagn
histon) berada dalam keadaan tergulung.
Studi morfologi kromosom di bawah mikroskop cahaya memperlihatkan
adanya pita-pita pada suatu kromosom sebagai akibat perbedaan intensitas
penyerapan warna pada berbagai wilayahnya. Wilayah yang menyerap warna
sangat pekat disebut heterokromatin, sedangkan yang berwarna lebih terang
disebut eukromatin. Heterokromatin merupakan wilayah dengan DNA tergulung
sangat kompak, sehingga berwarna pekat, sedang pada eukromatin gulungannya
lebih longgar. Pada wilayah heterokromatin, terdapat gen-gen yang tidak aktif
berekspresi, sedangkan gen-gen yang aktif berekspresi terdapat pada wilayah
eukromatin.
Halaman
12
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Studi perbandingan morfologi kromosom dari jaringan yang berbeda dan dari
tahapan perkembangan yang berbeda menunjukan bahwa wilayah heterokromatin
dapat berubah menjadi eukromatin. Sebaliknya eukromatin dapat berubah menjadi
heterokromatin. Hal ini menunjukan bahwa antar jaringan terdapat perbedaan gen
yang aktif berekspresi, dan juga menujukan bahwa diferensiasi sel merupakan
tahapan penentuan jenis gen yang secara permanen diekspresikan atau tidak
diekspresikan pada setiap jenis sel.
Penginaktifan gen dengan pembentukan heterokromatin dapat berlangsung
tidak hanya pada wilayah tertentu, tetapi juga dapat terjadi pada keseluruhan
kromosom. Sebagai contoh: penginaktifan satu kromosom-X yang terjadi pada
individu betina. Telah diketahui bahwa pada lalat buah (Drosophila) jantan
terdapat satu kromosom-X dan pada betina terdapat dua kromosom X. Namun satu
dari dua kromosom-X pada betina diinaktifkan melalui proses penggulungan yang
kompak, sehingga jumlah gen yang aktif pada jantan dan betina menjadi sama.
Kromosom-X yang terkondensasi tersebut dikenal sebagai Barr-body. Namun
demikian, kromosom yang inaktif akibat terkondensasi masih dapat terurai
kembali dalam pembelahan sel (mitosis). Proses penginaktifan berjalan pada awal
perkembangan sel.
Pemilihan satu dari dua kromosom-X yang di-inaktifkan berjalan secara acak,
sehingga bila pada kromosom-X terdapat satu lokus dengan alel heterozigot maka
pada satu jaringan akan terdapat sel-sel dengan alel yang berbeda-beda. Sebagai
contoh warna bulu kucing dikendalikan oleh sepasang alel dominan resesif yang
terpaut kromosom X. adanya alel yang berbeda-beda menghasilkan bulu kucing
yang bercampur pada suatu jaringan antara hitam dan coklat.
Halaman
13
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Regulasi ekspresi pada tingkat transkripsi.
Penggulungan
dan
pengudaran
gulungan
DNA
pada
kromosom
memberikan arahan penentuan gen-gen mana yang akan diekspresikan dan gen
mana yang tidak akan diekspresikan. Namun demikian masih ada sistem
berikutnya yang mengatur berjalannya proses ekspresi. Hanya persentase kecil
gen-gen pada sel-sel tipikal pada tanaman dan hewan yang diekspresikan. yaitu
gen-gen yang diperlukan untuk fungsi yang telah terspesialisasi. Namun gen-gen
yang produknya secara rutin dimanfaatkan oleh semua sel, seperti glikolisis, akan
selalu dalam keadaan terekspresi setiap saat.
Sebagaimana pada prokariot pengaturan ekspresi berjalan mulai dari tingkat
inisiasi ekspresi gen. Para peneliti telah menemukan, sebagaimana yang terjadi
pada prokariot, adanya sejumlah protein regulator yang mengatur ekspresi gen
dengan cara berinteraksi dengan ruas DNA. Pada euakriot tidak dikenal adanya
operon sebagaimana yang terdapat pada prokariot, setiap gen mempunyai
promotor dan terminator masing-masing. Pada eukariot terdapat lebih banyak
protein dan lebih banyak ruas DNA yang terlibat dalam regulasi ini, proteinprotein ini disebut faktor transkripsi. Lebih lanjut pada eukariot protein-protein
tersebut kelihatannya lebih banyak yang berperan sebagai aktivator ketimbang
sebagai represor.
Aktivator dalam kegiatannya akan berinteraksi dengan ruas-ruas DNA yang
disebut ruas pemacu (enchancer). Berbeda dengan operator prokariot, ruas pemacu
mempunyai jarak yang cukup jauh dari promotor, mungkin berada di sebelah hilir
atau sebelah hulu dari gen. Aktivator mungkin juga berinteraksi dengan protein
yang lain, ramuan besar dari protein ini meningkatkan ketepatan penempelan
transkriptase pada promotor dan insisasi transkripsi.
Halaman
14
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Beberapa ruas pemacu ikut terlibat dalam proses regulasi. Faktor transkripsi
lainnya yaitu represor berperan menghambat atau mencegah terjadinya transkripsi.
Proses kerjanya mirip dengan activator berinteraksi dengan ruas pengendali yang
disebut silencer, dan mencegah traskriptase melakukan inisisasi transkripsi.
Pada eukariot tidak terdapat operon seperti pada prokariot. Lalu
bagaimanakah eukariot mengatur transkripsi gen-gen yang protein hasil transkripsi
berhubungan erat dalam metabolisme, yang harus diekspresikan atau dimatikan
secara bersama-sama. Sering terjadi gen-gen penyandi enzim untuk lintasan
metabolisme yang sama terdapat secara terpencar pada berbagai kromosom.
Koordinasi ekspresi gen kelihatannya sangat bergantung pada asosiasi antara ruasruas pemacu dengan gen-gen yang tesebar tersebut Sejumlah factor translasi yang
mengenali runtunan basa dari ruas tersebut
akan menempel pada ruas-ruas
tersebut dan secara serempak menjalankan transkripsi dari gen-gen tersebut.
Regulasi Tingkat Pascatranskripsi
Telah dijelaskan terdahulu, pada modul ekspresi gen, bahwa struktur
mRNA eukariot tidak sama dengan struktur RNA hasil langsung proses trankripsi.
Pada hnRNA sebagai molekul hasil transkripsi terdapat ruas intron dan ekson.
Bagian intron akan dipotong dan hanya bagian ekson yang dipertahankan untuk
membentuk mRNA. Mekanisme pemrosesan pascatranskripsi dapat dilihat pada
modul ekspresi gen.
Pemilihan ruas intron dan ekson dapat merupakan salah satu cara regulasi.
Dengan cara memilih ruas hnRNA mana yang akan diambil (sebagai ekson) atau
akan dibuang (sebagai intron), maka dari satu ruas gen yang sama dapat
disandikan dua jenis mRNA atau polipeptida.
Halaman
15
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Sebagai contoh pada tikus enzim amilase yang dihasilkan oleh kelenjar
ludah dengan yang dihasilkan pada hati. Pada lalat buah perbedaan antara lalat
jantan dan betina ditentukan oleh dua gugus protein, yang satu khas pada jantan
dan yang lain pada betina. Kedua protein ini disandikan oleh gen yang sama, yang
berbeda hanya pada cara pemilihan intron dan eksonnya.
Regulasi pada tingkat translasi.
Setelah mRNA masuk kedalam sitoplasma akan terjadi proses translasi
menghasilkan protein. Regulasi dapat terjadi pada tahapan ini, yang meliputi
berbagai cara termasuk pendegradasian mRNA, inisiasi translasi, pengaktifan
protein, dan degradasi protein.
Regulasi tingkat mRNA. Panjang pendeknya umur mRNA
akan
menentukan kuantitas protein yang disintesis, mRNA yang berumur panjang akan
menghasilkan protein lebih banyak ketimbang yang dihasilkan mRNA yang
berumur pendek. Bakteri mempunyai mRNA berumur sangat pendek, dalam
beberapa menit akan didegradasi oleh enzim. Oleh karena itu, bakteri sangat
mudah mengubah proteinnya sehubungan dengan penyesuaian diri dengan
perubahan lingkungan. Berbeda dengan bakteri, mRNA eukariot berumur
beberapa jam bahkan sampai beberapa minggu. Contoh mRNA yang berumur
panjang adalah mRNA yang terdapat pada sel darah merah vertebrata. Pada sel
darah merah vertebrata, mRNA berperan sebagai pabrik pembuat protein
hemoglobin. Pada sebagian besar spesies vertebrata, mRNA hemoglobin sangat
stabil, mungkin berumur sama dengan sel darah merah yang mengandungnya.
Pada burung, mRNA berumur sekitar satu bulan. Lebih panjang lagi pada reptil,
amfibi, dan ikan dimana mRNAnya dipakai berulang kali untuk translasi.
Halaman
16
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Regulasi pada inisiasi translasi. Terdapat sejumlah protein yang berfungsi
mengatur jalannya translasi. Sebagai contoh, sel darah merah mempunyai protein
yang berfungsi sebagai inhibitor terhadap inisiasi translasi mRNA hemoglobin.
Protein inhibitor ini akan menjadi tidak aktif bila ada senyawa heme. Senyawa
heme yaitu senyawa penyusun hemoglobin yang berfungsi mengikat Fe. Bila ada
heme maka polipeptida penyusun hemoglobin dapat disintesis, dan kemudian
akan berasosiasi dengan heme membentuk molekul hemoglobin.
Regulasi pascatranslasi. Sebelum menjadi protein aktif atau fungsional,
polipeptida hasil transkripsi akan mengalami suatu pemrosesan agar dapat
membentuk struktur fungsionalnya. Pemrosesan ini melibatkan pemotongan rantai
polipeptida atau penambahan asam amino baru atau senyawa lain seperti
karbohidrat pada rantai polipeptida. Sebagai contoh polipeptida yang akan
ditranspor melewati membran akan mengandung ruas signal transpor dibagian
hulu rantainya. Ruas signal transpor akan berperan membawa polipeptida
melewati pori-pori membran. Ruas signal ini akan dipotong setelah polipeptida
melewati membran. Insulin aktif mengandung dua rantai asam-amino; namun
kedua rantai tersebut berasal dari satu polipeptida hasil transkripsi. Translasi
menghasilkan prapreinsulin yang mengandung ruas signal dan ruas preinsulin.
Insulin akan ditranspor melewati membran. Setelah melalui membran, ruas signal
dipotong sehingga menyisakan ruas preinsulin. Selanjutnya preinsulin dipotong
kembali manghasilkan dua rantai insulin fungsional.
Halaman
17
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Kontrol Genetik pada Perkembangan Embrio
Tangga Ekspresi Gen serta Signal antar sel yang menuntun perkem-bangan
embrio.
Perkembangan embrio sampai menjadi mahluk dewasa merupakan hasil
suatu program genetik yang berjalan secara teratur dan rapih. Embrio berkembang
dari zigot bersel tunggal. Dalam proses perkembangan embrio, terjadi berbagai
tahapan pembelahan serta diferensiasi sel. Setiap tahapan ini akan regulasi. Satu
gen yang diekspresikan pada satu tahapan akan mengendalikan ekspresi gen pada
tahapan berikutnya.
Contoh: tahapan perkembangan embrio lalat buah, yang dimulai dari
tahapan perkembangan sel telur sebelum dibuahi. Pada tahapan sel telur ketika
masih dalam kantong telur (folicle) terjadi ekspresi yang menentukan bagian mana
yang akan berkembang menjadi kepala, atau ekor, atau bagian atas, atau bawah.
Tahapan tersebut adalah sebagai berikut: (1) Ekspresi pertama dari gen sel telur
akan menghasilkan protein yang akan ditranspor ke luar dari sel telur masuk ke sel
folicle; (2) Protein tersebut akan direspons oleh sel-sel folicle dengan
mengekspresikan gen yang menghasilkan protein yang berperan menentukan
posisi calon kepala pada telur tersebut; (3) Protein tersebut akan masuk kedalam
telur dan meregulasi ekspresi gen-gen yang menghasilkan mRNA penentu kepala,
mRNA tersebut akan terkumpul pada sisi yang akan menjadi calon kepala. Setelah
terjadi pembuahan sel telur berubah menjadi zigot, dan terjadi serangkaian mitosis
dan ekspresi gen. Mula-mula (4) mRNA kepala akan ditranslasikan menghasilkan
protein, yang akan menyebar keseluruh sel embrio, tetapi karena mRNA kepala
lebih terkonsentrasi pada ujung bagian kepala maka protein yang dihasilkan pun
akan lebih banyak terdapat pada sel-sel bagian kepala.
Halaman
18
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Protein ini akan meregulasi ekspresi gen pada sel-sel embrio, tetapi adanya
perbedaan konsentrasi protein ini menyebabkan terjadinya perbedaan jumlah dan
jenis gen yang diekspresikan pada sel-sel yang sesuai dengan deretan embrio
tersebut. Dari kasus ini akan terlihat adanya ekprsei gen-gen yang spesifik
sepanjang sumbu dari bagian depan ke belakang. (5) Dari ekspresi gen-gen
tersebut akan dihasilkan sejumlah protein yang menjalankan metabolisme pada
sel-sel; Karena adanya perbedaan ekspresi gen-gen sepesifik sepanjang sumbu dari
depan ke belakang maka akan terjadi perbedaan metabolisme dalam sel-sel
berdasarkan posisi menurut sumbu muka belakang. Antar sel terjadi signal untuk
membantu berlangsungnya proses perkembangan sel-sel tetangganya. (6) Hasil
dari diferensiasi proses pada sel-sel tersebut menghasilkan sel-sel yang berbeda
dan juga sel yang mirip, dan akhirnya terbentuk segmen-segmen tubuh yang
mengelompokan sel yang sama.
Proses
pembentukan
segmen
merupakan
dasar
untuk
diferensiasi
berikutnya. Dari setiap segmen tersebut pada perkembangan lebih lanjut akan
terbentuk organ tubuh seperti kaki dan sayap. Gen-gen yang secara spesifik
berekspresi pada masing-masing segmen selanjutnya akan membangkitkan
ekspresi gen-gen lainnya, yang tentunya menjadi khas untuk setiap segmen. Gengen tersebut dinamakan gen homeotik, yaitu gen utama yang menentukan bagian
tubuh apa yang akan terbentuk dari masing-masing segmen. Gen homeotik
merupakan gen pengontrol utama yang akan mengotrol ekspresi suatu rentetan gen
yang sesungguhnya menciptakan identitas anatomis dari bagian tubuh. Sebagai
contoh satu gugus gen hometik pada Drosophila, yang disebut kompleks
antennapedia, akan mengontrol pembentukan antena serta kaki pada bagian kepala
dan toraks. Gugus gen ini tidak akan berekspresi pada bagian tubuh yang lain.
Halaman
19
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Adanya tangga ekspresi gen, protein yang disintesis oleh suatu gen akan
mengotrol ekspresi gen yang lain dan secara berurutan mengontrol ekspresi gen
untuk tahap berikutnya, merupakan aliran yang terjadi pada pertumbuhan dan
perkembangan. Banyak pula protein yang tidak berperan secara langsung terhadap
gen dalam sel tersebut melainkan berperan sebagai signal molekular yang
berinterkasi memicu ekspresi gen pada sel tetangganya.
Transduksi Signal
Signal dari satu sel ke sel lain merupakan mekanisme kunci dalam
pertumbuhan dan perkembangan, juga dalam koordinasi aktivitas selular pada
organisme dewasa. Secara umum kita dapat memandang adanya sel pemberi
signal dan sel target. Sel signal berperan untuk menangkap suatu tanda atau gejala
yang muncul dari sekitarnya, dan bereaksi terhadap gejala tersebut dengan
memproduksi protein yang menjadi signal untuk ekspresi gen pada sel-sel target.
Dalam sebagian besar kasus molekul signal beraksi dengan menempel pada
suatu protein reseptor dalam membran plasma sel target dan menginisiasi memulai
lintasan signal transduksi dalam sel. Lintasan transduksi signal ialah sederetan
perubahan molekular yang mengkonversi signal pada permukaan sel target
kedalam respons spesifik di dalam sel. Protein yang terakhir dari litasan tersebut
akanmengaktifkan transkriptase untuk melakukan transkripsi gen target. Pada
Gambar diperlihatkan lintasan transduksi signal, dimulai dengan produksi protein
signal pada sel signal, penempelan protein reseptor signal pada membran plasma
sel target, selanjutnya signal tersebut akan dikirimkan melalui sederetan protein
dan terakhir akan ditangkap oleh transkriptase yang akan membimbing transkripsi
gen tertentu pada sel terget.
Halaman
20
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Gen kunci penentu perkembangan
Pada tahun-tahun terakhir telah ditemukan bahwa sekelompok gen yang
mirip (gen homeotik) menolong membimbing perkembangan embrio berbagai
mahluk hidup. Dari hasil penelitian gen homeotik
pada lalat buah ditemukan
gambaran suatu kesamaan struktur umum : terdapat suatu ruas dengan runtunan
180 nukleotida yang ditemukan pada setiap gen homeotik. Suatu runtunan
nukleotida yang sangat mirip ditemukan dari penelitian pada khamir, tumbuhan,
cacing, katak, ayam, tikus, dan manusia. Ruas nukleotida ini disebut kotak-homeo
(homeo boxes), yang akan ditranslasikan kedalam suatu runtunan asam-amino (60
asam-amino) protein gen homeotik. Polipeptida kotak homeo ini akan menempel
pada ruas spesifik pada DNA, yang memberi kemampuan untuk menghidupkan
atau mematikan sekelompok gen selama perkembangan.
Pada Gambar diperlihatkan gen-gen yang mengandung kotak homeo yang
terdapat pada tikus dan lalat buah. Pita-pita berwarna menunjukan gen homeotik
yang mirip pada kedua organisme. Perlu diperhatikan bahwa terdapat kesamaan
posisi gen homeotik pada kromosom lalat dengan posisi gen yang sama pada
empat kromosom tikus. Kelinearan juga ditemukan antara posisi gen pada
kromosom dengan wilayah tubuh yang dikontrolnya baik pada tubuh lalat maupun
pada tikus.
Halaman
21
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Dasar Genetik Kanker.
Kanker merupakan hasil mutasi gen yang
mengendalikan pembelahan sel.
Kanker merupakan suatu penyakit yang mengerikan, dan sering
menyebabkan kematian. Kanker adalah sutu pertumbuhan sel atau jaringan yang
menyimpang dari pola awal dan mempunyai kecepatan lebih besar dari
pertumbuhan normal. Penyimpangan dari pertumbuhan ini diakibatkan oleh
adanya ekspresi gen yang tidak terkendalikan oleh sistem yang ada.
Penjelasan pertama mengenai penyebab kanker ditemukan, pada tahun
1911, berkat penemuan virus penyebab kanker pada ayam. Perlu diingat bahwa
virus merupakan DNA atau RNA yang terbungkus oleh mantel protein serta
membran. Jadi dapat dipandang sebagai suatu paket gen. DNA virus dapat
berintegrasi dengan kromosom inang sehingga menjadi seperti bagian dari genom
inang. Salah satu gen asal virus tersebut dapat menyebabkan terjadinya
pertumbuhan sel yang tidak terkendali. Gen yang menyebabkan kanker tersebut
dinamakan onkogen, yang berarti gen yang menyebabkan terjadinya kanker.
Penjelasan molekular tentang kanker dikemukakan pertama kali (1976) oleh
J. Michael Bishop dan Harold Vermus. Mereka menemukan bahwa kanker yang
disebabkan oleh virus yang mengandung onkogen terjadi karena terjadinya
pergantian peran suatu gen yang terdapat pada ayam normal oleh onkogen dari
virus. Pada kenyataannya virus-virus tersebut memperoleh onkogen dari gen inang
yang mengalami kerusakan. Jadi sebenarnya pada ayam terdapat gen-gen yang
berpotensi menyebabkan kanker bila terjadi mutasi pada gen tersebut.
Halaman
22
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Gen yang berpotensi menyebabkan kanker disebut proto-onkogen. Mutasi
yang mengenai onkogen akan memunculkan kanker pada suatu jaringan. Suatu sel
dapat memperoleh kanker melalui dua cara, yaitu melalui serangan virus pembawa
onkogen, atau melalui mutasi proto-onkogen yang dipunyainya.
Dari hasil penelitian Bishop dan Vermus diperoleh informasi tentang fungsi
proto-onkogen pada sel normal. Dari hasil penelitian berbagai proto-onkogen
diketahui bahwa gen ini berhubungan dengan faktor pertumbuhan (protein yang
merangsang terjadinya pembelahan sel), atau protein lain yang mempengaruhi
fungsi faktor pertumbuhan, atau aspek lain dari siklus sel. Mutasi yang terjadi
pada proto-onkogen dapat menyebabkan terjadinya kelainan dalam pertumbuhan
sel, menjadi pertumbuhan yang tidak terkendali.
Di samping mutasi pada proto-onkogen kanker dapat juga terjadi akibat
mutasi pada gen lain. Terdapat gen yang dalam keadaan normal protein yang
disandikannya berfungsi menekan terjadinya pembelahan sel. Gen ini akan
menekan pembelahan sel yang terlalu cepat akibat adanya perubahan di atas, oleh
karena itu gen ini dinamakan gen supresor tumor. Mutasi yang terjadi pada gen ini
akan menyebabkan sel kehilangan kemampuan untuk menekan pembelahan sel
yang terlalu cepat akibat adanya onkogen, sehingga akan muncul kanker.
Protein onkogen dan protein mutan gen-supresor-tumor dapat berhubungan
dengan transduksi signal
Untuk mengerti lebih dalam mengenai sumbangan onkogen dan mutan gen
supresor tumor terhadap pertumbuhan kanker, sebaiknya kita lihat peranan kedua
gen ini dalam keadaan normal. Kedua kelompok gen ini dapat menyandikan
protein yang berperan dalam lintasan transduksi signal.
Halaman
23
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Sel pemberi signal akan mengirimkan protein signal yang akan diterima
oleh protein reseptor yang terdapat di membran sel, yang selanjutnya signal akan
dikirimkan kedalam sel melalui lintasan transduksi untuk mengekspresikan gen
penyandi protein yang berperan dalam proses mitosis. Dalam kasus proto-onkogen
protein yang dikirim sel signal akan berperan mendorong mitosis pada sel target,
sedangkan pada kasus gen-supresor-tumor protein dari sel signal berperan untuk
menghambat pembelahan sel. Salah satu dari gen yang berperan dalam transduksi
signal baik dalam sel pemberi signal maupun pada sel target dapat berfungsi
sebagai proto-onkogen atau gen-supresor tumor. Mutasi pada proto-onkogen,
menghasilkan onkogen, menyebabkan dihasilkannya protein yang hiperaktif,
sehingga akan terjadi peningkatan ekspresi gen penentu mitosis pada sel sasaran.
Hal sebaliknya terjadi pad kasus gen-supresor tumor, mutasi pada gen tersebut
menyebabkan tidak aktifnya protein yang mencegah terjadinya mitosis yang
berlebihan pada sel sasaran.
Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia
Halaman
24