Regulasi Ekspresi Gen Pada Prokariotik.docx

REGULASI EKSPRESI GEN PADA PROKARIOTIK Genetika Senin

Nama : Amalia A. W dan Nabilla Gezy

Bakteri E. Coli merupakan bakteri yang hidup di berbagai kondisi lingkungan, seperti usus manusia, sungai tercemar, danau, kolam dan sebagainya. Bersangkutan dengan hal ini, adaptasi dari bakteri dan prokariota lainnya tergantung pada kemampuan mereka untuk "menghidupkan" dan "mematikan" ekspresi set spesifik gen dalam menanggapi tuntutan spesifik dari lingkungan. Dalam artian organisme ini memiliki kemampuan untuk melakukan regulasi atau pengaturan terhadap ekspresi spesifik dari gen dalam responnya terhadap kondisi lingkungan. Ekspresi gen dapat diatur atau diregulasikan pada beberapa tingkat yang berbeda, seperti transkripsi, proses mRNA, translasi, dan pemfungsian enzim. Bagaimanapun, regulasi transkripsi adalah hal yang paling penting dalam mengkontrol ekspresi gen, terutama pada prokariot. Pada umumnya, mekanisme regulasi terbagi menjadi dua kategori umum. Pertama, mekanisme meliputi aktif dan non-aktif secara berturut-turut dari ekspresi gen terhadap perubahan lingkungan. Kedua, mekanisme regulasi meliputi apa yang disebut preprogrammed circuit of gene expressions.

Induksi Dan Represi Gen-produk tertentu, seperti tRNA molekul, molekul rRNA, protein ribosom, komponen RNA polimerase (polipeptida), dan enzim lainnya mengkatalisasi metabolisme yang sering disebut sebagai sel yang memiliki fungsi membantu pada hampir semua sel hidup. Gen yang menentukan produk jenis ini terus-menerus diekspresikan dalam kebanyakan sel. Gen tersebut dinyatakan paling mendasar dan sering disebut constitutive genes Seperti kebanyakan prokariot lain, E. coli mampu tumbuh dengan beberapa karbohidrat sebagai energi. Keberadaan karbohidrat seperti glukosa dan laktosa mempengaruhi pertumbuhan bakteri tersebut. E. coli tumbuh secara pesat jika ada laktosa. Meskipun galaktosa juga bisa digunakan sebagai energi untuk pertumbuhan. Saat E. coli yang awalnya berada di media yang tidak mengandung laktosa kemudian dipindah ke media yang mengandung laktosa, bakteri ini akan mensintesis enzim yang dibutuhkan untuk penggunaan laktosa. Proses pengaktifan ekspresi gen ini disebut induksi. Gen yang ekspresinya menagtur kejadian ini

disebut indusibel gen. Sedangkan enzimnya disebut indusibel enzim. Induksi mengubah kecepatan sintesis enzim, tidak mengubah aktifitas dari molekul enzim yang sudah ada. Mekanisme pengaturan telah berkembang pada E.coli dimana sintesis enzim dari biosintesis triptofan dinonaktifkan, hal itu terjadi ketika triptofan telah tersedia di lingkungan eksternal. Proses "menonaktifkan" ekspresi seperangkat gen tersebut disebut represi. Sebuah gen yang ekspresinya telah dinonaktifkan dengan cara ini dikatakan direpresi, ketika ekspresinya diaktifkan, gen jenis ini dikatakan telah direpresi. enzim yang merupakan komponen dari anabolik (biosybthetic) jalur sering kalah pada represi (yang represible). Represi, seperti induksi, terjadi pada tingkat transkripsi. Represi tidak harus bingung dengan hambatan umpan balik, di mana mengikat suatu produk akhir untuk cemara enzim dalam jalur biosintesis menghambat aktivitas enzim (tetapi tidak mempengaruhi sintesis)..

Model Operon Induksi dan represi ekspresi gen dapat dilakukan dengan mekanisme yang sama. Mekanisme ini sebagai awalnya diusulkan oleh Jacob dan Monod, yang disebut sebagai sistem kontrol negatif. Model operon berhubungan dengan regulasi gen yang mengkode enzim yang dibutuhkan untuk penggunaan laktosa pada E. coli. Transkripsi dari satu set gen yang berdekatan diatur oleh dua elemen. Salah satu elemen disebut regulator gen, mengkode protein yang disebut repressor. Pada kondisi yang cocok, repressor berikatan dengan elemen kedua yang disebut operator. Letak operator selalu berdekatan dengan struktur gen yang dimana ekspresinya diatur. Ketika represor berikatan dengan operator, transkripsi tidak dapat terjadi. Hal ini karena ikatan antara represor dan operator menghalangi RNA polymerase untuk berikatan dengan sisi promoter. Kesatuan unit dari gen, operator, dan promoter inilah yang disebut operon. Mengikat atau tidaknya represor pada operator, ditentukan oleh ada atau tidaknya molekul efektor. Transkrip mRNA membawa informasi yang mengkode seluruh operon. mRNA dari operon mengandung lebih dari satu struktur gen sehingga disebut poligenik. Karena hasil dari gen regulator, represor bertindak dengan menon-aktifkan transkripsi gen struktural, maka model operon yang diajukan oleh Jacob dan Monod disebut sebagai sistem kontrol negatif. Pada sistem kontrol positif, hasil dari gen regulator mengaktifkan transkripsi. Lac, Operon yang Terinduksi. Jacob dan Monod mengusulkan sebuah model operon sebagai hasil dari studi mereka yaitu lac operon dari E.coli. Lac operon terdiri dari sebuah promoter, tiga gen structural yaituz,

y,dan a yang mengkode enzim β-galaktosidase, β-galaktoside permease, dan β-galaktoside transacetylase dan sebuah operator, dimanaβ-galaktoside permease berfungsi untuk memopalaktosa kedalam sel dan β-galaktosidase memecahnya menjadi glukosa dan galaktosa. Seperti operon yang lain, lac operon memiliki promoter, operator, dan gen struktural. Hanya saja gen struktural pada lac operon adalah z, y, dan a yang mengkode β-galaktosidase, β-galaktosid permease, β-galaktoside transacetylase. β-galaktosid permease memompa laktosa ke dalam sel. Sedangkan β-galaktosidase memecahnya menjadi glukosa dan galaktosa. Gen regulator lac mendesain gen i untuk mengkode represor yang panjangnya 360 asam amino. Jika tidak ada penginduksi, represor berikatan dengan sekuen operator lac dan mencegah RNA polimerase untuk berikatan dengan promoter. Promoter lac mengandug dua komponen fungsional yang berbeda. Yang pertama yaitu sisi yang berikatan dengan RNA polimerase dan sisi yang berikatan dengan protein lain yang disebut catabolite activator protein (CAP).

Trp, Operon Yang Terrepresi Operon yang bersifat menekan atau represif yang paling banyak diketahui adalah trp (triptofan) operon dari E. Coli. Charles Yanofsky dkk telah menganalisis dengan detail mengenai perkumpulan dari 5 struktur gen dan sekuen-sekuen berurutan yang bekaitan dengan pengaturan dari trp operon. Pengaturan transkripsi dari trp operon terjadi seperti pada diagram gambar 14.2. Penekan dari trp operon adalah hasil atau produk dari gen trpR, yang tidak terkait erat dengan trp operon. RNA polimerase akan mengikat daerah promoter dan merekam struktur gen-gen dari operon karena ketidakhadiran dari triptofan (co-repressor). Namun kehadiran triptofan (corepressor atau repressor kompleks) akan mengikat daerah promoter dan mencegah pengikatan RNA polimerase pada promoter. Sekuen operator dari trp operon sepenuhnya terletak atau terbentang dalam daerah promoter. Laju transkripsi trp operon di daerah yang tidak terdapat/ditemukan triptofan bersifat lebih cepat 70 kali lipat daripada yang terjadi di daerah yang terdapat triptofan. Pada mutan trpR yang tidak dapat membuat represor, laju sintesis enzim tryptophan biosynthetic (produk dari struktur gen trp operon) masih menurun sekitar 10 kali lipat dengan penambahan triptofan ke medium. Penurunan ini disebabkan regulasi tingkat kedua dari ekspresi trp operon yang disebut redaman atau attenuation. Attenuation ini terjadi oleh penghentian tryptophanmediated dari transkripsi di wilayah trpL (leader mRNA) dari operon.

Kontrol Positif dari Operon lac oleh CAP dan AMP siklik Kehadiran glukosa telah lama dikenal untuk mencegah induksi operon lac, serta operon lainnya yang mengendalikan enzim yang terlibat dalam katabolisme karbohidrat (misalnya operon arabinosa dan galaktose). Fenomena ini disebut represi katabolisme (atau efek glukosa) yang menunjukkan bahwa glukosa yang dimetabolisme di saat ini dalam preferensi untuk lain disebut sumber energi kurang efisien. Represi katabolit pada operon lac dilakukan melalui kontrol positif transkripsi oleh protein regulator yang disebut CAP dan molekul efektor yang disebut cAMP. Baik CAP maupun cAMP ini harus berikatan pada sisi ikatan promoter lac agar operon bisa terinduksi. Jika cAMP tidak ada, maka CAP tidak akan mengikat. Sehingga cAMP disini berperan sebagai molekul efektor yang menentukan transkripsi operon lac. cAMP ini diperlukan dalam jumalh yang cukup untuk membuat CAP berikatan. Selain itu, kehadiran glukosa juga mempengaruhi ikatan tersebut. Kontrol positif oleh gabungan CAP dan cAMP ini dapat terjadi bila terdapat glukosa. Jika tidak terdapat glukosa, maka transkripsi dari operon lac tidak akan pernah melebihi 2 persen.

Regulasi kompleks Operon ara Operon Arabinose (ara) dari E. Coli berisi tiga struktur gen (araB, araA, dan ara D) yang dikode tiga enzime yang terlibat dalam katabolisme arabinose. Tiga gen tersebut di transkripsikan oleh mRna yang diinisiasi pada PBAD (transport aktif arabinose kedalam sel yang dikeluarkan oleh gen araE, araF, dan araG. Gen ini terletak disamping operon araBAD ). Protein pengatur utama dari operon ara ( protein araC) diproduksi dari transkripsi yang terinisiasi pada suatu promoter (pc) yang berjarak 100 pasang nukleotida dari PBAD, tetapi memiliki arah transkripsi yang berlawanan. Protein araC berperan sebagai regulator negatif( represor) dari transkripsi struktur gen araB, araA, araD dari promoter PBAD ketika tidak mengandung arabinose dan siklus AMP (cAMP). Ketika terdapat arabinose dan cAMP, maka ia akan bertindak sebagai regulator positif (aktivator).

Repression operon ara bergantung pada pengikatan protein araC pada araO2, (O untuk operator, dan 2 karena operator ara kedua yang teridentifikasi) dilokasi 211 pasang nukleotida ke bagian hulu (relative ke arah transkripsi dari PBAD) dari tempat pengikatan protein araC di aral (Operator ara O1 yang mengontrol transkripsi gen regulator araC yang diinisiasi dari Pc). Protein araC harus diikat (sebagai dimer) pada kedua tempat aral dan taraO2 , dan proteinprotein ini kemudian saling mengikat membentuk DNA loop. Ketika struktur loop (Flg. 14.8c) terbentuk, ia harus menghalangi atau mengganggu dengan mengikat RNA polimerase pada perbatasan promoter (PBAD) dari operon. Dengan adanya arabinose dan cAMP, operon ara diinduksi, dimana terkadang arabinose-araC yang kompleks dan kompleks CAMP-CAP harus membuka loop dengan berikatan di sisi aral. Ini menyebabkan RNA polimerase berikatan di PBAD dan menginisiasi transkripsi dari struktur gen ara. Represi Prophage Lambda Selama Fase Lisogeni Ketika bakteriofag seperti bakteri lambda berada pada profage di dalam sel lisogenik, gen-gen seperti yang mengontrol replikasi DNA, morfogenesis, dan pe-lisis-an sel inang, tidak diekspresikan. Gen C1 yang mengkode represor, memiliki dimer atau tetramer yang mengikat

dua wilayah operator yang mengontrol transkripsi ketika fase litik yaitu OL dan OR, sehingga overlap dengan sekuen promoter dimana ada RNA polimerase yang akan menginisiasi transkripsi dan menyebabkan RNA polimerase tidak bisa berikatan dengan kedua promoter. Hal ini memungkinkan gen fag tetap melakukan transmisi dari sel inang dan tidak memasuki fase litik. Kontrol Operon trp Oleh Redaman Level kedua dari regulasi operon trp adalah redaman atau pelemahan, dan sekuen dengan trpL yang mengontrol redaman adalah peredam atau pelemah atau attenuator. pelemahan terjadi dengan kontrol dari terminasi transkripsi hampir di akhir lead sekuen mRNA. Terminasi "prematur" ini terjadi hanya ketika ada triptofan bermuatan tRNAtrp dan menghasilkan sekuen utama 140-nukleotida. Daerah attenuator memiliki sekuen pasangan nukleotida yang identik dengan sinyal terminasi transkripsi yang ditemukan pada ujung operon pada kebanyakan bakteri. Sinyal ini berisi palindrom GC dan diikuti beberapa pasang basa AT. Transkripsi pada sinyal terminasi ini menghasilkan RNA yang berpotensial membentuk ikatan hidrogen “hairpin” yang strukturnya diikuti beberapa U dan menyebabkan perubahan pada RNA polimerase yang menghasilkan ikatan hidrogen pasangan basa DNA-RNA yang lebih lemah. Bagaimana bisa ada/tidaknya triptofan berpengaruh? 1. Transkripsi dan translasi berpasangan pada prokariot sehingga apa yang terjadi pada translasi, berimbas pada transkripsi. 2. Sekuen utama nukeotida-162 dari operon trp berisi sekuen pasangan basa yang dapat membentuk struktur alternate seconary dimana diantara duanya akan membentuk “hairpin”. Jika pasangan basa dari hairpin dan alternate seconary membentuk pasangan basa, maka attenuator transkripsi terminasi tidak bisa terbentuk 3. Sekuen utama mengandung AUG yang merupakan kodon inisiasi translasi, 13 kodon asam amino, dan kodon terminasi translasi UGA 4. Sekuen peptida peptida awal mengandung dua triptofan. Pada saat triptofan tersedia dalam jumlah sedikit atau tidak ada, maka jumlah tRNAtrp (tRNA yang membawa asam amino triptofan) juga akan berkurang. Keadaan ini menyebabkan ribosom yang melakukan translasi peptida awal akan berhenti pada daerah kodon triptofan yang pertama sehingga terjadi penumpukan ribosom pada daerah ini. Ribosom yang menumpuk pada sekuens kodon triptofan pertama menyebabkan penghambatan

pembentukan hairpin sehingga tidak ada terminasi transkripsi oleh RNA polimerase. Penghambat Umpan Balik dan Enzim Alosterik Feedback inhibition atau end product inhibition berarti adanya konsentrasi yang cukup dari produk akhir alur biosintesis ( seperti histidin atau triptofan ) yang secara berkala dihasilkan pada penghambatan enzim pertama alur tersebut. Sebenarnya hal ini sama dengan represi, yaitu menghambat sintesis enzim. Enzim sensitif-Feedback inhibition terbukti memiliki sisi pengikatan produk akhir selain sisi pengikatan substrat. Ketika mengikat produk akhir, beberapa enzim melakukan perubahan dalam konformasi yang disebut transisi alosterik yang mengurangi afinitasnya terhadap substrat.

Sekuen Temporal dari Ekspresi Gen Selama Infeksi Fag Satu set gen fag, biasanya disebut gen “awal”, segera diekspresikan setelah terjadi infeksi. Hasil dari satu atau lebih gen “awal” akan mematikan ekspresi dari gen “awal” dan mengaktifkan ekspresi dari set gen berikutnya, dan seterusnya hingga dua sampai 4 set gen akan terlibat. Regulasi pada sekuen ekspresi gen selama infeksi fag terjadi paling utama pada tingkat transkripsi. Bakteri yang paling banyak dipelajari adalah fag E. coli T4, T7 dan fag Bacillus subtilis SP01. Pada sel fag T7 yang terinfeksi gen “awal” di transkripsi oleh RNA polimerase E. coli. Salah satu gen “awal” mengkode RNA polimerase T7, kemudian mentranskripsi semua gen “akhir” (mengkode struktur protein, lisosom, dll, dari T7). Untuk fag subtilis SP01 menunjukkan alur yang lebih kompleks, melibatkan tiga set gen. Set tersebut adalah gen “awal”, “tengah”, dan “akhir” yang mengacu pada lamanya waktu mereka mengekspresikan selama siklus reproduksi fag. Gen “awal” SP01 di transkripsi oleh RNA Polimerase B. subtilis. Salah satu dari produk gen “awal” adalah polipeptida yang akan mengikat RNA polimerase sel inang, mengubah sifatnya sehingga dapat mentrankripsi gen “tengah”. Dua dari hasil gen “tengah” merupakan polipeptida yang berasosiasi dengan RNA polimerase B. subtilis sehingga dapat mentrankripsi gen “akhir” dari SP01 Fag T4 memiliki proses yang lebih kompleks lagi untuk mengekspresikan gen, meliputi beberapa modifikasi berbeda dari RNA polimerase sel inang. Pada bagteriofag ini

Pertanyaan :

1. Bagaimanakah triptofan dapat berpengaruh dalam pelemahan transkripsi Operon? Jawab : Operon trp, dikendalikan melalui dua macam mekanisme yaitu : (1) penekanan (represi) oleh produk akhir ekspresi, dan (2) pelemahan (attenuation). Pengendalian negatif operon trp dilakukan dengan cara menekan ekspresi gen-gen dalam operon itu pada saat tersedia triptofan dalam jumlah banyak. Pada saat triptofan tidak tersedia, atau hanya tersedia dalam jumlah sangat terbatas, gen trpR hanya menghasilkan aporepresor yang tidak mampu menempel pada daerah operator sehingga RNA polimerase dapat dengan mudah melakukan transkripsi gen-gen struktural trpE, D, C, B dan A setelah melewati daerah attenuator. Sebaliknya, pada saat tersedia triptofan dalam jumlah banyak, aporepresor yang dikode oleh trpR akan berikatan dengan molekul triptofan (disebut sebagai ko-represor) sehingga terjadi perubahan struktural pada protein aporepresor menjadi protein represor yang fungsional. Perubahan struktural tersebut mengakibatkan represor dapat menempel pada daerah promotor operon trp sehingga RNA polimerase tidak dapat melakukan transkripsi gen-gen struktural. Tetapi pada awalnya RNA polimerase tetap melakukan transkripsi sekuens trpL yang kemudian langsung diikuti dengan transalsi transkrip trpL. Akan tetapi meski trpL dapat ditranskripsi namun proses transkripsi tersebut akan segera diakhiri karena daerah attenuator mempunyai sekuens terminator transkripsi sehingga akhirnya RNA polimerase terlepas dari DNA sebelum mencapai gen-gen struktural trpEDCBA. Hal ini menyebabkan pembentuka struktural sekunder jepit rambut (hair pin) dan diikuti dengan rangkaian basa U tersebut menyebabkan ikatan antara transkripsi dengan DNA menjadi tidak stabil sehingga akhirnya transkrip terlepas dan transkripsi tidak dapat dilanjutkan.