Pengaturan Ekspresi Gen

PENGATURAN EKSPRESI GEN

Dr. MUTIARA INDAH SARI

NIP: 132 296 973

DAFTAR ISI

I . PENDAHULUAN…….……….………...……...….…….….……1

II. STRUKTUR DNA.….……..…..………..…...…...……..……….….…2

III. EKSPREI GEN...………...…...….…3

IV. PENGATURAN EKSPRESI GEN PADA SEL EUKARIOT...……...…..…..4

IV.1. PENGATURAN DI TINGKAT TRANSKRIPSI ……….……….…...….….5

IV.2. PENGATURAN DITINGKAT PASCA TRANSKRIPSI………..…..…...…….9

IV.3. PENGATURAN TINGKAT TRANSLASI………..…….….10

IV.4. PENGATURAN TINGKAT POST TRANSLASI…….………...….10

V. KESIMPULAN………...……12

PENGATURAN EKSPRESI GEN

I. PENDAHULUAN

DNA sebagai bahan genetik karena DNA dapat mewariskan sifat sifat oragnisma induk, sudah diidentifikasi pada pertengahan abad 20. (1,2,5)Genom adalah sepotong DNA / segment DNA yang menyandi protein mengandung semua informasi genetik yang dimilikinya. Dengan penemuan ini ditemukan bagaimana informasi genetik diwariskan dan diekspresikan. (3,5)

Mekanisme molekuler dari pewarisan melibatkan proses yang dikenal sebagai replikasi, dimana rantai DNA induk berfungsi sebagai cetakan untuk sintesis salinan DNA. . (2,4)

Ekspresi gen di dalam sel memerlukan dua proses, transkripsi dimana DNA berfungsi sebagai “template” dan ditranskripsikan menjadi mRNA dan translasi dimana informasi pada RNA akan diterjemahkan menghasilkan protein. Pengaturan ekspresi

gen pada sel eukariotik hanya memungkinkan ekspresi sebagian kecil genom dalam suatu waktu, sehingga sel dapat menjalani perkembangan dan differensiasi. Ini memerlukan suatu pengaturan melalui mekanisme yang rumit. (4) Untuk suatu gen spesifik, pengaturan dapat terjadi secara bersamaan diberbagai tingkat dan berbagai faktor bekerja bersamaan untuk merangsang dan menghambat ekspresi suatu gen (2,4)

II. STRUKTUR DNA

Molekul DNA adalah polymer dari Desoxyribonucleotide (Basa, zat Gula dan

satu atau lebih gugus Phosphat). Zat gula adalah β-D-2 Desoxyribose (Ribose), sedangkan basa terdiri atas untaian asam nukleat / nukleotida purin (Adenin / A, Guanin / G) dan pirimidin (Sitosin / C, Timin / T). Satuan untuk DNA : bp (base pair).

(4,6)

Tahun 50-an Watson and Crick menemukan bahwa DNA terdiri dari dua rantai polinukleotida yang membentuk helix ganda dan mempunyai back bone gula-fosfat ikatan fosfodiester dan pada bahagian tengahnya terdapat pasangan-pasangan basa yang disatukan oleh 2 atau 3 ikatan hidrogen antara pasangan basa.Setiap basa akan berikatan : adenin pada satu rantai dipasangkan dengan timin pada rantai yang lain, guanin dipasangkan dengan sitosin. (4)

Akibat pembentukan pasangan basa ini, dua rantai DNA saling melengkapi (bersifat komplementer).Rantai DNA ini berjalan dalam arah yang berlawanan (antiparalel). Rantai satu berjalan dalam arah 5’ ke 3’ pada rantai yang lain berjalan dalam arah 3’ ke 5’. Dupleks DNA mempunyai diameter 20 Å. Pasangan basa pada DNA disusun dalam jarak 3.4 Å antara satu sama lain. Satu pusingan penuh heliks berjarak 34 Å dan mengandungi 10 basa. Segmen molekul DNA mempunyai alur major yang berselang dengan alur minor. (5,6)

Gambar 1. Struktur DNA double heliks

III. EKSPREI GEN

Di dalam gen, urutan nukleotida sepanjang untaian DNA menentukan protein, yang akan dihasilkan oleh organisme disebut sebagai ekspresi gen . (5). Langkah pertama dalam ekspresi gen adalah transkripsi DNA menjadi RNA. Molekul RNA sama dengan DNA kecuali pada (2)

1. Gugusan gula adalah ribosa. Basa Urasil (U) menggantikan Timin (T) dan U berpasangan dengan A.

2. RNA biasanya tidak berantai ganda walaupun daapt melipat dirinya sendiri jika terjadi komplementaritas dan beebrapa virus RNA berantai ganda n.

Tiga kelas RNA utama merupakan RNA messenger (mRNA), RNA transfer (tRNA), RNA ribosomal (rRNA). mRNA diterjemahkan menjadi protein . tRNA terlibat dalam transfer asam amino ke dalam protein, rRNA termuat dalam ribosom yang terlibat dalam sintesis protein (2)

IV. PENGATURAN EKSPRESI GEN PADA SEL EUKARIOT

Aktivitas berbagai gen memperlihatkan variasi yang luas dalam berbagai sel. Dengan demikian, hormon pertumbuhan dan insulin masing-masing dihasilkan secara

eksklusif dalam kelenjar hipofisis dan sel β pankreas.Gen lain diekspresikan secara luas. Contohnya gen renin diekspresikan dalam ginjal dan beberapa jaringan ekstrarenal.Perbedaan ini terutama disebabkan terutama disebabkan oleh pengauran ekspresi gen., karena umumnya struktur DNA adalah sama bagi seluruh sel-sel tubuh.(2,4) Pada sel eukariot gen yang mengkode protein yang berfungsi bersama-sama biasanya terletak pad akromoson yang berbeda.

Misalnya gen untuk rantai globin α haemoglobin terletak dikromosom 16, sedangkan gen untuk rantai β terletak dikromosom 11. Situasi ini berbeda dari bakteri , di mana gen yang mengkode protein berfungsi bersama-sam berletak berdampingan satu sama lain dalam operan. Operon tidak terdapat pada sel eukariot. (4)

Ekspresi gen padas el eukariot, berlangsung di sejumlah tahapan yang berbeda yaitu : transkripsi, pascatranskripsi, translasi, pasca translasi. (1,2,4)

Gambar 2. Tahapan pengaturan Ekspresi gen(1)

IV.1. PENGATURAN DI TINGKAT TRANSKRIPSI.

Pengaturan Transkripsi

Kontrol utama dari ekspresi gen terjadi pada tingkat awal transkripsi.(1) Transkripsi diawali oleh pada unsur promotor proksimal yang membentuk sekitar 30 nukleotida di hulu dari tempat start transkripsi. Daerah ini mengandung yang disebut sebagai books TATA dengan rangkaian TATA atau rangkaian yang serupa.Struktur ini mengikat suatu kompleks protein yang dikenal sebagai faktor books TATA, dalam hal ini termasuk protein protein pengikatan books TATA (TBP atau TFIID). Faktor lain seperti TFII, TFIII dan polimerase RNA.(2,3,4)

Beberapa promotor tidak mengandung kotak TATA dan mengawali transkripsi melalui faktor-faktor yang sama. Secara umum faktor-faktor ini disebut faktor piranti umum dan basal. (2,4)

Protein lain dapat berikatan dengan faktor basal pada regio promotor dan

enhancer DNA untuk bertindak bersama dengan RNA polimerase untuk dapat mengatur awal transkripsi. Protein ini disebut sebagai faktor transkripsi.

Transaktivator adalah protein yang digabungkan dengan protein lain (koaktivator) ke kompleks protein yang terikat ke promotor basal di books TATA. Apabila terjadi interaksi yang sesuai antara transaktivator, koactivator, dan kompleks promotor basal, RNA polimerase lebih sering berikatan dengan promotor basal

Gambar.4 Pengikatan RNA polimerase dengan promotor basal (1)

Interaksi protein pengatur ini dengan DNA melibatkan gambaran struktural misalnya motif helix-turn-helix atau zink finger. Banyak dari protein ini membentuk dimer melalui gambaran struktural misalnya leucine zipper. (2,3,4)

Pengaktifan Gen Spesifik

Di tingkat transkripsi gen spesifik, elemen di dalam urutan DNA (disebut

elemen sis) berikatan dengan faktor lain yang dikenal sebagai elemen trans (biasanya protein) yang mendorong atau menghambat pengikatan RNA polimerase ke gen. Senyawa, misalnya hormon steroid dapat berfungsi sebagai inducer , merangsang pengikatan elemen trans ke elemen sis DNA(2,3,4). Inducer seperti hormon steroid yang masuk ke dalam sel dan berikatan dengan protein reseptor. Reseptor ini juga memiliki domain yang mengikat elemen respon spesifik (elemen sis). Apabila kompleks inducer-reseptor berikatan dengan DNA , gen mungkin menjadi aktif, atau pada beberapa kasus menjadi tidak aktif. (2,4)

Hormon polipeptida dan faktor pertumbuhan juga mengatur ekspresi gen, walaupun senyawa ini tidak masuk ke dalam sel. Senyawa tersebut bereaksi dengan reseptor yang terletak di permukaan sel, merangsang reaksi yang menghasilkan second messenger di dalam sel , yang akhirnya mengaktifkan gen.Inducer yang sama dapat mengaktifkan banyak gen yang berbeda apabila setiap gen tersebut memiliki elemen respon yang yang umum di regio pengaturnya.(2,4)

Pada kenyataannya sebuah inducer dapat mengaktifkan serangkaian gen dalam suatu cara yang terprogram dan teratur. Inducer mula-mula mengaktifkan satu kumpulan gen. Salah satu protein produk kumpulan gen tersebut kemudian dapat berfungsi sebagai inducer bagi kumpulan genyang lain. Apabila poses ini diulang-ulang, hasil akhirnya adalah bahwa satu inducer dapat merangsang serangkaian proses yang mengaktifkan banyak kumpulan gen yang berlainan. Selain serangkaian gen yang berespon terhadap hormon, serangkaian genyang lain, disebut heat shock genes, berespon terhadap peningkatan suhu, menghasilkan protein yang melindungi sel dari kerusakan akibat panas .(4)

Dengan demikian masing-masing gen memiliki banyak elemen respon yang berbeda di regio pengaturnya. Setiap gen tidak memiliki protein khusus yang mengatur transkripsinya. Namun terdapat sejumlah kecil protein pengatur yang bekerja bersama-sama untuk menghasilkan berbagai respon dari gen yang berlainan. (4)

IV.2. PENGATURAN DITINGKAT PASCA TRANSKRIPSI

Merupakan pengaturan setelah terbentuknya mRNA dan selama transport RNA dari inti ke sitoplasma. (1)

Penyuntingan RNA

Pada beberapa keadaan , RNA mengalami beberapa perubahan setelah transkripsi. Pada semua jaringan urutan gen adalah sama. Namun mRNA yang ditranskripsikan dari gen tersebut berbeda. Walaupun belum sepenuhnya dipahami, tampaknya mekanisme yang digunakan melibatkan perubahan basa, penambahan atau pengurangan sebuah nukleotida setelah transkrip disintesa(4).

Salah satu contoh penyuntingan RNA terjadi pada pembentukan apoprotein B (apo B) yang disintesa di sel hati dan usus dan berfungsi sebagai lipoprotein yang dihasilkan oleh jaringan tersebut. Walaupun apoprotein tersebut dikode oleh gen yang sama, versi protein yang dibentuk di hati 100) mengandung 4563 residu asam amino, sedangkan yang dibentuk di sel usus (B-48) hanya memiliki 2152 asam amino. (4)

Transport mRNA

Pada sel eukariot, mRNA harus berpindah dari inti melalui pori-pori inti ke sitoplasma agar dapat ditranslasikan. Nuklease menguraikan mRNA, mencegah pembentukan protein yang dikode oleh mRNA. Selama transportasi ini mRNA terikat pada protein yang membantu penguraiannya (2,4)

IV.3. PENGATURAN TINGKAT TRANSLASI

Pengaturan pada pembentukan protein.(1) Faktor inisiasi untuk translasi, terutama faktor inisiasi eukariotik 2 (eIF2) merupakan pusat mekanisme pengatur ini. Kerja eIF2 dapat dihambat oleh fosforilasi. mRNA lain memiliki lengkung tajam yang menghambat inisiasi translasi (2,4)

IV.4. PENGATURAN TINGKAT POST TRANSLASI

Pengaturan setelah terbentuknya protein. Setelah disintesis, lama hidup protein diatur oleh degradasi proteolitik. Protein memiliki waktu apruh yang berbeda-beda. Sebagian hanya bertahan beberapa jam atau hari. Yang lain menetap sampai beberapa bulan atau tahun.Sebagian protein mengalami degradasi oleh enzim lisosom. Protein lain didegradasi oleh protease di dalam sitoplasma. Sebagian protein ini tampaknya mengalami degradasi melalui pengikatan suatu protein yang dikenal dengan nama

Ubikuitin. Ubikuitin adalah protein yang sangat hemat. Urutan asam aminonya hanya memiliki sedikit variasi antara berbagai organisme .(4)

Gambar5. Pengaturan Ekspresi gen

V. KESIMPULAN

Gen pada eukariot untuk sebuah rantai polipeptida dikontrol oleh promotornya sendiri. Operon tidak terdapat pada sel eukariot. Ekspresi gen padas el eukariot, berlangsung di sejumlah tahapan yang berbeda yaitu : transkripsi, pascatranskripsi, translasi, pasca translasi. Pengaturan pada tahap transkripsi merupakan pengaturan utama pada ekspresi gen. Pengaturan pada tingkat translasi merupakan mekanisme tambahan berlangsung di sitoplasma Untuk suatu gen spesifik, pengaturan dapat terjadi secara bersamaan untuk merangsang atau menghambat ekspresi suatu gen

DAFTAR KEPUSTAKAAN

1. Control of Gene Expression.Diakses tgl 23 Sept 2004 dari

“http : // faculty clinton.suny.edu/faculty/Michael.Greogory/files/ “

2. Greenspan F S MD, Baxter J D MD. Basic and Clinical Endocrinology 4th.1994 : 10-18

3. Murray R K, et al. Harper’s Biochemistry 25th ed. Appleton & Lange. America 2000 : 472-485

4. Mark Dawn B, PhD, Marks Allan MD, Smith Collen M, PhD. Biokimia Kedokteran Dasar, Sebuah Pendekatan Klinis , 2000 : 222-231

5.Trancription (genetic) Diakses tgl 23 Sept 2004 dari "http://en.wikipedia.org/wiki/Transcription_(genetics)/"

6. Molecular structure of nucleic acids Diakses tgl 23 Sept 2004 dari

“ http://biocrs.biomed.brown.edu/Books/Chapters/Ch%208/DH-Paper.html”

Hormon polipeptida dan faktor pertumbuhan juga mengatur ekspresi gen, walaupun senyawa ini tidak masuk ke dalam sel. Senyawa tersebut bereaksi dengan reseptor yang terletak di permukaan sel, merangsang reaksi yang menghasilkan second messenger di dalam sel , yang akhirnya mengaktifkan gen.Inducer yang sama dapat mengaktifkan banyak gen yang berbeda apabila setiap gen tersebut memiliki elemen respon yang yang umum di regio pengaturnya.(2,4)

Pada kenyataannya sebuah inducer dapat mengaktifkan serangkaian gen dalam suatu cara yang terprogram dan teratur. Inducer mula-mula mengaktifkan satu kumpulan gen. Salah satu protein produk kumpulan gen tersebut kemudian dapat berfungsi sebagai inducer bagi kumpulan genyang lain. Apabila poses ini diulang-ulang, hasil akhirnya adalah bahwa satu inducer dapat merangsang serangkaian proses yang mengaktifkan banyak kumpulan gen yang berlainan. Selain serangkaian gen yang berespon terhadap hormon, serangkaian genyang lain, disebut heat shock genes, berespon terhadap peningkatan suhu, menghasilkan protein yang melindungi sel dari kerusakan akibat panas .(4)

Dengan demikian masing-masing gen memiliki banyak elemen respon yang berbeda di regio pengaturnya. Setiap gen tidak memiliki protein khusus yang mengatur transkripsinya. Namun terdapat sejumlah kecil protein pengatur yang bekerja bersama-sama untuk menghasilkan berbagai respon dari gen yang berlainan. (4)

IV.2. PENGATURAN DITINGKAT PASCA TRANSKRIPSI

Merupakan pengaturan setelah terbentuknya mRNA dan selama transport RNA dari inti ke sitoplasma. (1)

Penyuntingan RNA

Pada beberapa keadaan , RNA mengalami beberapa perubahan setelah transkripsi. Pada semua jaringan urutan gen adalah sama. Namun mRNA yang ditranskripsikan dari gen tersebut berbeda. Walaupun belum sepenuhnya dipahami, tampaknya mekanisme yang digunakan melibatkan perubahan basa, penambahan atau pengurangan sebuah nukleotida setelah transkrip disintesa(4).

Salah satu contoh penyuntingan

RNA terjadi pada pembentukan apoprotein B (apo B) yang disintesa di sel hati dan usus dan berfungsi sebagai lipoprotein yang dihasilkan oleh jaringan tersebut. Walaupun apoprotein tersebut dikode oleh gen yang sama, versi protein yang dibentuk di hati 100) mengandung 4563 residu asam amino, sedangkan yang dibentuk di sel usus (B-48) hanya memiliki 2152 asam amino. (4)

Transport mRNA

Pada sel eukariot, mRNA harus berpindah dari inti melalui pori-pori inti ke sitoplasma agar dapat ditranslasikan. Nuklease menguraikan mRNA, mencegah pembentukan protein yang dikode oleh mRNA. Selama transportasi ini mRNA terikat pada protein yang membantu penguraiannya (2,4)

IV.3. PENGATURAN TINGKAT TRANSLASI

Pengaturan pada pembentukan protein.(1) Faktor inisiasi untuk translasi, terutama faktor inisiasi eukariotik 2 (eIF2) merupakan pusat mekanisme pengatur ini. Kerja eIF2 dapat dihambat oleh fosforilasi. mRNA lain memiliki lengkung tajam yang menghambat inisiasi translasi (2,4)

IV.4. PENGATURAN TINGKAT POST TRANSLASI

Pengaturan setelah terbentuknya protein. Setelah disintesis, lama hidup protein diatur oleh degradasi proteolitik. Protein memiliki waktu apruh yang berbeda-beda. Sebagian hanya bertahan beberapa jam atau hari. Yang lain menetap sampai beberapa bulan atau tahun.Sebagian protein mengalami degradasi oleh enzim lisosom. Protein lain didegradasi oleh protease di dalam sitoplasma. Sebagian protein ini tampaknya mengalami degradasi melalui pengikatan suatu protein yang dikenal dengan nama

Ubikuitin. Ubikuitin adalah protein yang sangat hemat. Urutan asam aminonya hanya

Gambar5. Pengaturan Ekspresi gen

V. KESIMPULAN

Gen pada eukariot untuk sebuah rantai polipeptida dikontrol oleh promotornya sendiri. Operon tidak terdapat pada sel eukariot. Ekspresi gen padas el eukariot, berlangsung di sejumlah tahapan yang berbeda yaitu : transkripsi, pascatranskripsi, translasi, pasca translasi. Pengaturan pada tahap transkripsi merupakan pengaturan utama pada ekspresi gen. Pengaturan pada tingkat translasi merupakan mekanisme tambahan berlangsung di sitoplasma Untuk suatu gen spesifik, pengaturan dapat terjadi secara bersamaan untuk merangsang atau menghambat ekspresi suatu gen

DAFTAR KEPUSTAKAAN

1. Control of Gene Expression.Diakses tgl 23 Sept 2004 dari

“http : // faculty clinton.suny.edu/faculty/Michael.Greogory/files/ “

2. Greenspan F S MD, Baxter J D MD. Basic and Clinical Endocrinology 4th.1994 : 10-18

3. Murray R K, et al. Harper’s Biochemistry 25th ed. Appleton & Lange. America 2000 : 472-485

4. Mark Dawn B, PhD, Marks Allan MD, Smith Collen M, PhD. Biokimia Kedokteran Dasar, Sebuah Pendekatan Klinis , 2000 : 222-231

5.Trancription (genetic) Diakses tgl 23 Sept 2004 dari "http://en.wikipedia.org/wiki/Transcription_(genetics)/"

6. Molecular structure of nucleic acids Diakses tgl 23 Sept 2004 dari

“ http://biocrs.biomed.brown.edu/Books/Chapters/Ch%208/DH-Paper.html”