Rqa 2 Regulasi Ekspresi Gen Pada Eukariotik Nina.docx

REGULASI EKSPRESI GEN PADA EUKARIOTIK Disusun untuk memenuhi tugas matakuliah Genetika II yang dibina Oleh Prof. Dr. SitiZubaidah, M.Pd

Oleh : Kelompok 8/G 1. Miftahul Mufinadiroh

(160342606244)

2. Nina Bunga Anggraini

(160342606206)

UNIVERSITAS NEGERI MALANG FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM PROGRAM STUDI S1 BIOLOGI SEMPTEMBER 2018

Diferensiasi Selular Pada Organisme Eukariotik Tingkat Tinggi Pada organisme eukariotik biasanya terspeliasiasi, membawa sedikit fungsi meabolisme yang spesifik. Contohnya pada sel darah merah yang dispeliasiasi untuk sintesis dan penyimpanan hemoglobin. Contoh lain yaitu sel saraf yang hanya mensintesis neurotransmitter. Sel yang berperan dalam regulasi sel darah merah dan sel saraf sebenarnya sam hanya saja memiliki ekspresi gen yang berbeda. Selama perkembangan dari tumbuhan kompleks atau hewan, ekspresi gen ditunjukkan telah teregulasi dalam tingkatan yang berbeda pada seluruh tingkat yang memungkinkan pada transkripsi, proses pre-mRNA, transport mRNA, stabilitas mRNA, translasi, postranslasi protein, stabilitas protein, dan fungsi enzyme. Data yang berkembang sekarang mampu mengindikasi bahwa ekspresi gen diregulasi utama pada tingkat transkripsi, dan proses pre-mRNA. Jelas, bahwa regulasi tidak terjadi ada level lain. Jadi secara umum mekanisme regulasi dengan efek yang cukup besar pada fenotip terjadi pada tingkat transkripsi dan proses RNA. Banyak dari proses perkembangan dala eukariot teregulasi, oleh preprogrammed circuits of gene expression. Dalam hal ini, beberapa kejadian (seperti lepasnya hormone dalam aliran darah atau fertilisasi telur) memicu ekspresi dari satu set gen, produk dari satu atau lebih fungsi gene dengan mekanisme turn off transkripsi dari set gen pertama dan turn on transkripsi dari set gen kedua. Pada gilirannya, satu atau lebih dari produk set gen kedua akan berperan sebagai pengaktif set gen ketiga, dan selanjutnya, dalam hal ini, untaian ekspresi gen secara umum terprogram dan gen tidak dapat keluar dari sekuen gen yang ada. CONTOH PERKEMBANGAN NEOKLASIKAL YANG DIREGULASI EKSPRESI GEN Informasi terbaru mengenai regulasi gen pada aplikasi dari rekombinasi DNA dan cloning tidak harus mengabaikan studi neoklasikal yang telah berkembang. Gambaran yang menyolok dari transkripsi pada kromosom lampbrush dan amplifikasi gen RNA ribosomal dalam oosit amphibi merupakan dua contoh

penting dalam regulasi perkembangan ekspresi gen yang mendahului DNA rekombinan. Transkripsi Pada Kromosom Lampbrush dalam Kromosom Amfibi Pada organisme tingkat tinggi fertilisasi pada telur oleh sperma meningktakan sintesis protein, yang diikti dengan pembelahan-pembelahan pada proses embryogenesis. Seluruh komponen yang dibuthkan dalam sintesi proten ada pada telur yang digunakan dalam proses transkripsi baik mRNA maupun premRNA. Komponen tersebut ada dalam proses oogenesis. Segmen tertentu pada DNA kromosom lampbrush berbentuk putaran lateral. Setiap lateral terdiri atas molekul sentral dari DNA yang dikelilingi oleh suatu bahan yang baru mensintesis RNA dan protein. Gen transkripsi pada ;ampbrush dibutuhkan selama embryogenesis dan gen transkrip yang disintesis selama oogenesis disimpan dalam bentuk inaktif dan stabil hingga fertilisasi. Mekanisme regulasi ini membutuhkan peran dari postranscriptional. Amplifikasi Gen rRNA pada Oosit Amfibi Walaupun inisiasi cepat dari sintesis protein setelah fertilisasi tidak ada rRNA yang tersintesis dalam embrio amfibi sampai tahap gastrula, yang menandakan banyak rRNA harus disintesis selama proses oogenesis. Pada oosit amfibi, gen rRNA secara terpilih diperkuat sekitar seribu kali lipat untuk memfasilitasi sintesis rRNA dalam jumlah besar yang tersimpan dalam telur dewasa. Gen rRNA secara normal terdapat dalam nukleolus dari kromosom. Sekitar 1000 gen rRNA ada pada setiap nukleolus yang diploid. D.brown dan I.Dawid menunjukkan bahwa nukleus dari oosit Xenophus laevis mengandung ribuan nukleoli yang masing-masing mengandung DNA sirkular yang secara berpasangan disalin berulang dari gen rRNA. Ketika terbentuk, molekul DNA ekstrakromosomal ini hadir untuk bereplikasi dengan mekanisme rolling circle. Replikasi dari gen rRNA dalam oosit ini merupakan contoh dari tipe gen spesifik amplifikasi. Ketika jumlah yang banyak dari protein spesifik dibutuhkan, seperti hemoglobin yang dibutuhkan sel darah merah, luas pengerasan dapat diselesaikan pada tahap translasi, setiap mRNA dapat ditranslasikan dalam waktu yang banyak.

Tentunya hal ini tidak mungkin terjadi ketika produk gen yang dibutuhkan adalah sebuah molekul rRNA. TRANSKRIP GEN POPULASI YANG BERBEDA PADA TIPE SEL YANG BERBEDA Proporsi kecil dari genom diwakili diantara molekul mRNA dalam tipe sel apapun, hal ini didemonstrasikan oleh RNA-DNA saturation hybridization experiments. RNA diekstrak dari sel dan ditambahkan untuk reaksi hibridisasi pada DNA yang berlebih

untuk mewakili sekuen populasi RNA yang akan

membentuk hybrid DNA-RNA yang menyediakan sekuen populasi mRNA tipe sel tertentu. Eksperimen ini menghasilkan kurang dari 10 persen DNA pada genom diwakili oleh molekul mRNA pada sitoplasma pada satu sel. mRNA dari oosit xenopus, pada tempat lain mengandung sekuen homolog lebih sedikit dari 1 persen DNA sekuen, mayoritas dari sekuen DNA pada genom lebih tinggi eukariot tidak diwakili diantara populasi mRNA pada jaringan atau tipe sel. Perbedaan set gen yang ditranskripsikan dan berbeda pada transkripsi primernya diproses menjadi mRNA pada tipe yang berbeda dari diferensiasi sel. Eksperimen RNA-DNA competitive hybridization menunjukkan bahwa satu langkah dari sejumlah label radioaktif RNA dari satu tipe sel yang menghibridisasi genom DNA total dalam keadaan ada dan dalam ketiadaan dari kelebihan persaingan nonradioaktif RNA dari sel tipe sel kedua. Jika dua tipe sel mengandung populasi RNA yang berbeda, jumlah yang sama dari RNA yang terlabeli akan hybridisasi dengan DNA pada ada atau tidaknya dari persaingan RNA. Percobaan RNA-DNA kompetitif dari tipe ini mengindikasikan bahwa sekuen RNA hadir di populasi RNA yang diambil dari jaringan yang berbeda atau tipe sel yang berbeda, berbeda. Regulasi dari transkripsi dan atau proses transkripsi terjadi pada mekanisme positif yang melibatkan gen activator yang specifik, proses activator ini melibatkan regulator sekuen cis-acting yang dikenal enhancers. Histon diketahui sangat kompleks dengan DNA dalam nukleosom, lebih lagi kompleks histon DNA ditranskripsi jauh lebih kurang efisien pada sistem transkripsi secara in vitro dibandingkan pada DNA yang sama setelah histon dihilangkan.

MEKANISME

REGULASI

TRANSKRIPSI

PADA

EUKARIOTIK

TINGKAT TINGGI Pada E. coli RNA polymerase holoenzim mengandung semua informasi yang dibutuhkan untuk inisiasi transkripsi yang dierikan pada promotor. RNA polymerase II yang mengkode protein pada ekspresi gen tidak dapat menginisiasi transkripsi secara in vitro tanpa adanya penambahan empat protein asesori atau faktor umum transkripsi. protein tersebut berinteraksi dengan faktor transkripsi regulasi atau secara langsung faktor tersebut ditunjukkan. Kebanyakan Unit Transkripsi adalah Monogenik Pada eukariotik tingkat tinggi secara jelas bahwa operon tidak penting, apabila mereka berada dalam keseluruhan. Walaupun terdapat bukti bahwa operon atau operon pada prokariotik, operon langka atau jarang keberadaanya. kebanyak mRNa pada eukariotik tingkat tinggi dikarakteristik secara monogenic. Dalam beberapa kasus, transkrip primer dilakukan secara poligenik dan dibelah utnuk menghasilkan mRNA monogenic. Modulasi Transkripsi Enhancers dan Silencers pada Eukariotik Gen pada eukariotik diregulasi berada pada ujung 5’ dari lokasi inisiasi transkripsi. Pada gen Drosophila Ubx promotor eukariotik lebih komplek dengan banyak ikatan dengan protein regulator yang berbeda. Ciri-ciri utama dari enhanrcer yaitu : 1. tidak dapat bertindak dalam keadaan jarak relatif besar 2. orientasinya independen 3. posisinya independen. Enhancer salah satunya pada virus SV40 yang tidak dibungkus dengan nukleosom. Enhancer pada SV40 berfungsi sebagai proteksi terhadap protein transkrisi faktor dengan membungkusnya dengan histon. pada faktor yang mengikat enhancr dan prootor dapat bertindak kooperatif, berperan positif maupun negatif . Hal ini mengindikasikan bahwa protein mungkin saja saling berkaitan.

Regulasi Tingkatan Transkripsi Oleh DNA Metilasi Pada kebanyakan tumbuhan dan hewan, DNA sering dimodifikasi setelah sintesis dengan bantuan enzim seperti pengubahan beberapa sitosin dengan basa 5 metilsitosin. Beberapa studi mempelajari hubungan regulasi ekspresi gen dan tingkat metilasi berbanding terbalik, muga ditemukan bahwa metilasi terjadi pada jaringan yang spesifik, dan 5-azactidin yang mana tidak dapat melakukan metilasi setelah beriktan dengan DNA telah menunjukan hasil bahwa ekspresi gen pada tidak terekspresi secra normal. Hipotesis terpopuler mengenai regulasi transkripsi dengan metilasi yaitu dengan bantuan jaringan spesifik demetilasi yang mana dipindahkan kembali dan diekspresikan pada sel yang khusus. Struktur Kromatin : Situs Sensitif Nuklease Pada Gen Aktif DNA kromosom pada eukariotik berada dalam nukleosom dan dilindungi dari aktifitas nuklease. RNA polimerase merupakan protein yang lebih besar dibandingkam nukleosom pada DNA yang merupakan bahan transkripsi. Ini mengindikasikan bahwa diperlukan mekanisme tertentu untuk

memulai

transkripsi. Gen aktif transkripsi dan kromatin berada dalam nukleosom saat akan ditranskripsikan, dan memiliki frekuensi yang sama dengan nukleosom yang mengandung gen yang tidak ditranskrip. Namun struktur nukleosom pada gen aktif dan inaktif tidak sama. Hal ini dapat diketahui dengan meningkatnya sensitivitasnuklease pada gen aktif transkripsi. Berdasarkan percobaan M. Groudine dan H. Weintraub didapatkan kesimpulan bahwa sekitar 50% sekuens DNA gen aktif akan siap terdegradasi kapanpun

oleh DNAse 1 ketika hanya tersedia 10% total DNA yang dapat

dihidrolisis. Sensitivitas nuklease pada gen aktif ditemukan kehadiran dua kromosom protein nonhiston yaitu HMG14 dan HMG17. Saat protein ini hilang, maka sensitivitas nuklease juga hilang dan begitu pula sebaliknya. Saat kromatin yang terisolasi mengandung gen aktif transkripsi menerima DNAse dengan konsentrasi yang rendah, maka molekul DNA akan membelah pada daerah spesifik. Daerah ini biasanya terletak di bagian upstream dan enhancers. Meskipun daerah hipersensitif dibelah oleh nuklease S1, endonuklease

spesifik untuk DNA yang beruntai tunggal. Menunjukkan bahwa DNA tidak tepat berpasanagan atau memiliki beberapa modifikasi struktural lainnya. KONTROL HORMON DALAM EKSPRESI GEN Komunikasi intraseluler adalah fenomena yang sangat penting pada tanaman dan hewan tingkat tinggi. Biasannya sinya berasal dari bernagai kelenjar ataupun sel sekretori yang merangsang jaringan atau sel target untuk mengalami perubahan pada pola metabolik suatu organisme. Hormon peptida seperti insulin dan hormon steroid seperti estrogen dan testosteron mewakili dua jenis sistem sinyal yang digunakan dalam komunikasi intraseluler. Pada hewan tingkat tinggi, hormon disintesis oleh sel sekretorik khusus dan dilepaskan ke dalam aliran darah. Hormon peptida tidak dapat masuk ke dalam sel karea ukurannya yang relatif besar. Akhirnya akan dibantu oleh protein reseptor yang terletak dalam membran sel target dan AMP siklik agar sinyal/ pesan yang dibawa dapat masuk dalam sel. Sedangkan hormon steroid memiliki molekul yang kecil sehingga dapat memasuki sel melalui membran plasma. Saat dalam sel target, hormon ini akan terikat oleh protein reseptor spesifik. Protein reseptor ini hanya terdapat dalam sel target. Aktivasi Transkripsi oleh Hormon Steroid Studi autoradiografimenggunakan hormon steroid berlabel radioaktif telah menunjukkan kompleks protei reseptor cepat menumpuk dalam inti sel target. Hormon ini disintesis oleh sel sekretori khusus dan di distribusikan kedalam sel target melalui aliran darah. Karena ukurannya yang kecil, hormon ini mampu masuk kedalam sel target melalaui membran plasma. Sel target memiliki reseptor protein yang spesifik dan akan mengikat hromon ini. kemudian hromon ini melewati pori nukleus dan menuju inti sel target. Hromon reseptor protein kompleks kemudian mengikat sekuens spesifik DNA dibagian enhacers dan promoter dimana gen akan diaktifkan oleh hormon. Kompleks reseptor hormon akan merangsang proses transkripsi, kompleks yang

terikat akan meningkatkan pengikatan RNA polimerase di daerah promotor. Yang berfungsi sebagai aktivator transkripsi gen yang diatur. Glucocorticoid Hormones Act via Enhancers Elements Hormon steroid akan meiliki efek yang berbeda pada jenis sel yang berbeda. diantaranya hormon steroid spesifik seperti glukokotikoid (misalnya kortisol) dan estrogen (misal, β-estradiol) akan engaktifkan target gen spesifik melalui interaksi protein dengan sekuen cis. Sekuens cis ini biasa disebut Enhancers. Aktivasi ekspresi gen pada saat tidak tersedia hormon, reseptor glukokortikod akan membentuk kompleks protein yang disebut Hsp90 dan tersisa dalam sitoplasma. Namun ketika tersedia hormon, glukokortikoid akan diikat oleh reseptor protein (Hsp90 dilepas), dan memasuki inti sel melalui pori yang terdapat dalam selaput nukleus. Hormone reseptor kompleks kemudian mengikat glukokortikoid response element (GRE) dengan enhancers yang berada didekat gen target. Hal ini terjadi akibat enhancers mengaktifkan promotor(s) dari gen target. Hasil transkripsi gen sel target akan meningkat jika terdapat hormon. Ekdison dan Kromosom Puff pada lalat Dalam Kelenjar saliva lalat terdapat kromosom raksasa, seperti pada spesies Drosophila dan Chironomus tetans. Pita kromosom pada setiap individu mengalami

perubahan

mencolok

pada

waktu-waktu

tertentu

selama

perkembangan. Masing-masing pita meluas ke dalam struktur secara penuh, yang disebut puff. Setiap puff mewakili segmen kromosom memfasilitasi transkripsi gen. Kromosom raksasa pada Chironomus tetans memiliki tiga puff raksasa yang menjadi karakteristik kromosom. Ketiga kromosom tersebut disebut Balbiani rings (BR1, BR2, dan BR3). Ekdison menginduksi sekuens kromosom puff pada larva Drosophila. Ecdysone merupakan hormon steroid yang memicu kejadian molting pada banyak serangga. Setelah sekitar 5 menit larva Drosophila diinjeksi ecdysone, maka set band pada kelenjar kromosom raksasa pada kelenjar

saliva lalat akan membentuk puff, pembentukan puff akan mengalami terminasi setelah 4 jam. Dalam 10 jam setelah diinjeksi ecdysone akan terbentuk 100-125 puff dari bands. Regulasi dengan Jalur Alternatif dari splicing transkrip Regulasi transkripsi memiliki peran yang penting dalam mengontrol perkembangan dalam mahluk hidup Eukariotik. Salah satu contoh mode alternatif penyambungan transkrip terjadi pada kasus gen tropomiosin pada Drosophila.dan hewan vertebrata. Tropomiosin adalah protein yang menjadi media interaksi antara aktin dan troponin yang membantu regulasi kontraksi otot. Belum diketahui bagaimana pentingnya menggunakan jalur alternatif slicing transkrip beralig dalam seluruhb regulasi ekspresi gen. Regulasi ekspresi gen dengan kontrol jalur splicing adalah mekanisme yang signifikan dalam regulasi mahluk eukariot tingkat tinggi. Regulasi sirkuit komples ekspresi gen pada Eukariot. Berdasarkan model Britten dan Davidson, gen-gen spesifik menunjukkan sekuen pengikatan yang spesifik. Ketika sensor gen menerima sinyal yang sesuai, maka akan mengaktifkan transkripsi gen-gen yang berdekatan. Hasil gen integrator merupakan aktivator RNA yang berinteraksi secara langsung dengan gen-gen reseptor yang merangsang transkripsi contiguous producer genes. Berbagai macam gen-gen produser diaktifkan sebagai respon terhadap sinyal yang berbeda. Self Question and Answer MIFTAHUL MUFINADIROH 160342606244/G 1. Bagaimana mekanisme dari berbagai tipe sel dapat menghasilkan mekanisme yang berbeda padahal mulanya berasal dari sel yang sama ? Adanya ekspresi gen dari gen terkontrol pada tingkat transkripsi dan translasi mengakibatkan adanya berbagai macam sel yang memunculkan

ekspresi gen yang berbeda. Selain pada proses tersebut , komposisi materi genetic yang berbeda juga dapat memberikan ekspresi gen yang berbeda pada masing-masing jenis sel. akibatnya pada setiap sel yang berbeda menghasilkan fungsi yang berbeda. Ekspresi gen ini dapat pula menghasilkan adanya differensiasi sel yang diikuti oleh ekspresi gen yang berbeda pula sehingga fungsinya berbeda dalam organisme eukariotik tingkat tinggi. 2. Mengapa pada saat fase tahap gastrula embrio amphibi tidak mensintesis rRNA? Sintesis rRNA telah terjadi sebelumnya pada saat proses oogenesis. Sintesis rRNA pada saat oogenesis terjadi lebih cepat dari biasanya. Akibatnya pada fase setelah oogenesis rRNA dalam telur sudah melimpah sehingga tidak perlu ada sintesis rRNA kembali. Pada sebagian besar telur amphibian lebih banyak mengandung ribosom, fungsi ribosom ini untuk proses translasi yang mampu menghasilkan protein yang berguna untuk pertumbuhan dan perkembangan telur menjadi kecebong. Nina Bunnga Anggraini 160342606206 1. Bagaimanakah aktivasi transkripsi menggunakan hormon steroid ? Jawab : Karena ukurannya yang kecil, hormon ini mampu masuk kedalam sel target melalaui membran plasma. Sel target memiliki reseptor protein yang spesifik dan akan mengikat hromon ini. kemudian hromon ini melewati pori nukleus dan menuju inti sel target. Hromon reseptor protein kompleks kemudian mengikat sekuens spesifik DNA dibagian enhacers dan promoter dimana gen akan diaktifkan oleh hormon. Kompleks reseptor hormon akan merangsang proses transkripsi, kompleks yang terikat akan meningkatkan pengikatan RNA polimerase di daerah promotor. Yang berfungsi sebagai aktivator transkripsi gen yang diatur. 2. Mengapa hormon peptida tidak mampu masuk kedalam sel target melalui membran plasma ?

Jawab : Hormon peptida tidak dapat masuk ke dalam sel karea ukurannya yang relatif besar. Akhirnya akan dibantu oleh protein reseptor yang terletak dalam membran sel target dan AMP siklik agar sinyal/ pesan yang dibawa dapat masuk dalam sel