Protein Disulfide Isomerase (pdi), Peranannya Pada Folding Dan Sekresi Protein Heterolog.
Protein Disulfide Isomerase (PDI),
Peranannya pada folding dan sekresi protein heterolog
OLEH
SHABARNI GAFFAR, M.Si.
NIP: 132 313 560
JURUSAN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS PADJADJARAN
2008
Protein Disulfide Isomerase (PDI),
Peranannya pada folding dan sekresi protein heterolog
OLEH
SHABARNI GAFFAR, M.Si.
NIP: 132 313 560
Bandung, Agustus 2008
Mengatahui : Ketua Jurusan Kimia, FMIPA
Universitas Padjadjaran
Dr. Unang Supratman
NIP. 131929830
Protein Disulfide Isomerase (PDI),
Peranannya pada folding dan sekresi protein heterolog
1. Pendahuluan
Protein yang melewati jalur sekresi pada umumnya distabilkan oleh satu
atau dua ikatan disulfida. Agar terjadi pembentukan ikatan disulfida yang
efisien, oksidasi terjadi dalam dua kompartemen sel dimana pembentukan
ikatan disulfida dan folding biasanya terjadi, yaitu retikulum endoplasma (RE)
eukariot dan periplasma bakteri (Tu et al., 2000).
Retikulum endoplasma memfalitasi pembentukan ikatan disulfida
melalui mekanisme yang belum dimengerti. Reaksi ini membutuhkan protein
disulfida isomerase (PDI) dan Ero1p. Protein disulfida isomerase (PDI), yang
telah dikarakterisasi lebih dari 40 tahun yang lalu, berperan penting pada
pembentukan ikatan disulfida natif in vivo. PDI merupakan protein dengan
ukuran 57 kDa dan merupakan enzim penting yang mampu mengkatalisis dua
reaksi oksidasi ikatan disulfida baru dan isomerisasi ikatan disulfida yang
sudah ada (Woycechowsky dan Raines, 2000).
Efisiensi sekresi protein rekombinan dari sel eukariot tidak hanya
membutuhkan protein yang berfungsi mentargetkan protein ke RE dan
mengarahkan translokasinya ke lumen RE. Bila sudah terdapat dalam lumen
RE, protein heterolog harus mengalami pelipatan, modifikasi pasca translasi
dan dalam beberapa kasus dirakit menjadi oligomer yang fungsional.
Kemudian protein tersebut akan meninggalkan RE, dan masuk ke jalur sekresi
(Gambar 1).
Terdapat sejumlah mesin sel yang bertanggung jawab untuk menjamin
proses ini berlangsung secara akurat yang dibantu oleh protein sekresi
endogen, tapi bila sel direkayasa secara genetik untuk mengekspresikan
protein heterolog dengan level tinggi, salah satu dari proses ini mungkin
menjadi penentu laju atau hasil reaksi. Apakah problem ini dapat diatasi
dengan memodulasi jumlah protein terlarut dan protein yang terikat ke
membran sel, yang memediasi tahapan ini? Beberapa publikasi baru-baru ini
3
menunjukkan indikasi bahwa sekresi
protein rekombinan oleh ragi
Saccharomyces cerevisiae dan sel mamalia dapat ditingkatkan dengan
manipulasi yang rasional (Tuite & Freedman, 1994).
Gambar 1. Protein yang akan disekresikan disintesis di ribosom yang terikat
kuat ke RE kasar dan kemudian ditranslokasikan ke lumen RE kasar, dimana
urutan pengenal dipotong.. Pembentukan ikatan disulfida dan penambahan
oligosakarida manosa ke residu Asp spesifik, juga terjadi dalam RE. ‘Kontrol
kualitas’ dari protein yang mengalami pelipatan yang tidak benar dan protein
agregat dilakukan melalui proteolisis, degradasi dalam RE: hal ini merupakan
kunci utama dimana kehilangan protein heterolog dapat terjadi. Protein yang
melewati pemeriksaan kualitas bergerak dari RE kasar ke kompleks Golgi
melalui membran. Di Golgi terjadi juga pemotongan proteolisis atau modifikasi
pasca translasi, dimana beberapa diantaranya berperan untuk penempatan
protein ke tujuan akhirnya. Beberapa protein yang disekresikan diarahkan ke
perangkat sekresi yang bergabung dengan membran plasma (Tuite &
Freedman, 1994)
Tahapan penentu utama sekresi protein rekombinan dari sel eukariot
terjadi pada pengeluaran protein dari lumen RE ke Golgi. Sehingga protein yang
mengalami kesalahan pelipatan atau kesalahan modifikasi, atau protein yang
dirakit menjadi protein non-natif, serta agregat dengan berat molekul tinggi
akan dihalangi meninggalkan RE dan dihancurkan oleh sistem proteolisis RE.
“Protein sampah” ini akan menjadi masalah bila kita ingin merekayasa sel
untuk mensekresikan protein heterolog dengan level yang tinggi. Protein
heterolog tersebut mungkin akan cenderung mengalami pelipatan yang salah
karena jumlah dari faktor pelipatan atau modifikasi pasca translasi terlalu
rendah untuk menanggulangi semua protein yang akan disekresikan. Alternatif
4
lain protein mungkin tidak mengalami pelipatan dengan benar, karena satu
atau lebih faktor yang dibutuhkan untuk modifikasi pasca translasi hilang. Hal
ini akan menjadi masalah bila kita mencoba untuk memsekresikan protein
mamalia dari ragi, dimana protein RE yang dibutuhkan untuk pelipatan protein
mamalia mungkin tidak ada, atau terlalu sedikit jumlahnya dalam RE ragi (Tuite
& Freedman, 1994).
2. Pembentukan ikatan disulfida dan kontrol kualitas.
Usaha-usaha yang dilakukan baru-baru ini untuk meningkatkan
pemrosesan protein rekombinan dalam RE ragi dan sel mamalia terutama
dipusatkan pada dua komponan RE yaitu: protein disulfida isomerase (PDI),
enzim yang mengkatalisis pembentukan ikatan disulfida natif pada protein
sekresi; dan BiP/G1LP78, yang merupakan homolog dari Hsp70, yang
berperan sebagai molecular chaperone untuk sekresi protein yang melewati
RE.
Pembentukan ikatan disulfida merupakan modifikasi kovalen dan
merupakan modifikasi pasca translasi yang dialami oleh protein-protein yang
memasuki jalur sekresi. Pembentukan ikatan disulfida natif merupakan aspek
integral dari jalur pelipatan protein, dan berperan penting pada perakitan
protein, dimana kebanyakan protein sekresi (contohnya, antibodi, prokolagen)
merupakan oligomer dari dua atau lebih rantai polipeptida yang digabung
bersama oleh rantai ikatan disulfida. Pada sel-sel sekresi mamalia, jumlah PDI
relatif melimpah, sedang pada ragi jumlah PDI
Peranannya pada folding dan sekresi protein heterolog
OLEH
SHABARNI GAFFAR, M.Si.
NIP: 132 313 560
JURUSAN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS PADJADJARAN
2008
Protein Disulfide Isomerase (PDI),
Peranannya pada folding dan sekresi protein heterolog
OLEH
SHABARNI GAFFAR, M.Si.
NIP: 132 313 560
Bandung, Agustus 2008
Mengatahui : Ketua Jurusan Kimia, FMIPA
Universitas Padjadjaran
Dr. Unang Supratman
NIP. 131929830
Protein Disulfide Isomerase (PDI),
Peranannya pada folding dan sekresi protein heterolog
1. Pendahuluan
Protein yang melewati jalur sekresi pada umumnya distabilkan oleh satu
atau dua ikatan disulfida. Agar terjadi pembentukan ikatan disulfida yang
efisien, oksidasi terjadi dalam dua kompartemen sel dimana pembentukan
ikatan disulfida dan folding biasanya terjadi, yaitu retikulum endoplasma (RE)
eukariot dan periplasma bakteri (Tu et al., 2000).
Retikulum endoplasma memfalitasi pembentukan ikatan disulfida
melalui mekanisme yang belum dimengerti. Reaksi ini membutuhkan protein
disulfida isomerase (PDI) dan Ero1p. Protein disulfida isomerase (PDI), yang
telah dikarakterisasi lebih dari 40 tahun yang lalu, berperan penting pada
pembentukan ikatan disulfida natif in vivo. PDI merupakan protein dengan
ukuran 57 kDa dan merupakan enzim penting yang mampu mengkatalisis dua
reaksi oksidasi ikatan disulfida baru dan isomerisasi ikatan disulfida yang
sudah ada (Woycechowsky dan Raines, 2000).
Efisiensi sekresi protein rekombinan dari sel eukariot tidak hanya
membutuhkan protein yang berfungsi mentargetkan protein ke RE dan
mengarahkan translokasinya ke lumen RE. Bila sudah terdapat dalam lumen
RE, protein heterolog harus mengalami pelipatan, modifikasi pasca translasi
dan dalam beberapa kasus dirakit menjadi oligomer yang fungsional.
Kemudian protein tersebut akan meninggalkan RE, dan masuk ke jalur sekresi
(Gambar 1).
Terdapat sejumlah mesin sel yang bertanggung jawab untuk menjamin
proses ini berlangsung secara akurat yang dibantu oleh protein sekresi
endogen, tapi bila sel direkayasa secara genetik untuk mengekspresikan
protein heterolog dengan level tinggi, salah satu dari proses ini mungkin
menjadi penentu laju atau hasil reaksi. Apakah problem ini dapat diatasi
dengan memodulasi jumlah protein terlarut dan protein yang terikat ke
membran sel, yang memediasi tahapan ini? Beberapa publikasi baru-baru ini
3
menunjukkan indikasi bahwa sekresi
protein rekombinan oleh ragi
Saccharomyces cerevisiae dan sel mamalia dapat ditingkatkan dengan
manipulasi yang rasional (Tuite & Freedman, 1994).
Gambar 1. Protein yang akan disekresikan disintesis di ribosom yang terikat
kuat ke RE kasar dan kemudian ditranslokasikan ke lumen RE kasar, dimana
urutan pengenal dipotong.. Pembentukan ikatan disulfida dan penambahan
oligosakarida manosa ke residu Asp spesifik, juga terjadi dalam RE. ‘Kontrol
kualitas’ dari protein yang mengalami pelipatan yang tidak benar dan protein
agregat dilakukan melalui proteolisis, degradasi dalam RE: hal ini merupakan
kunci utama dimana kehilangan protein heterolog dapat terjadi. Protein yang
melewati pemeriksaan kualitas bergerak dari RE kasar ke kompleks Golgi
melalui membran. Di Golgi terjadi juga pemotongan proteolisis atau modifikasi
pasca translasi, dimana beberapa diantaranya berperan untuk penempatan
protein ke tujuan akhirnya. Beberapa protein yang disekresikan diarahkan ke
perangkat sekresi yang bergabung dengan membran plasma (Tuite &
Freedman, 1994)
Tahapan penentu utama sekresi protein rekombinan dari sel eukariot
terjadi pada pengeluaran protein dari lumen RE ke Golgi. Sehingga protein yang
mengalami kesalahan pelipatan atau kesalahan modifikasi, atau protein yang
dirakit menjadi protein non-natif, serta agregat dengan berat molekul tinggi
akan dihalangi meninggalkan RE dan dihancurkan oleh sistem proteolisis RE.
“Protein sampah” ini akan menjadi masalah bila kita ingin merekayasa sel
untuk mensekresikan protein heterolog dengan level yang tinggi. Protein
heterolog tersebut mungkin akan cenderung mengalami pelipatan yang salah
karena jumlah dari faktor pelipatan atau modifikasi pasca translasi terlalu
rendah untuk menanggulangi semua protein yang akan disekresikan. Alternatif
4
lain protein mungkin tidak mengalami pelipatan dengan benar, karena satu
atau lebih faktor yang dibutuhkan untuk modifikasi pasca translasi hilang. Hal
ini akan menjadi masalah bila kita mencoba untuk memsekresikan protein
mamalia dari ragi, dimana protein RE yang dibutuhkan untuk pelipatan protein
mamalia mungkin tidak ada, atau terlalu sedikit jumlahnya dalam RE ragi (Tuite
& Freedman, 1994).
2. Pembentukan ikatan disulfida dan kontrol kualitas.
Usaha-usaha yang dilakukan baru-baru ini untuk meningkatkan
pemrosesan protein rekombinan dalam RE ragi dan sel mamalia terutama
dipusatkan pada dua komponan RE yaitu: protein disulfida isomerase (PDI),
enzim yang mengkatalisis pembentukan ikatan disulfida natif pada protein
sekresi; dan BiP/G1LP78, yang merupakan homolog dari Hsp70, yang
berperan sebagai molecular chaperone untuk sekresi protein yang melewati
RE.
Pembentukan ikatan disulfida merupakan modifikasi kovalen dan
merupakan modifikasi pasca translasi yang dialami oleh protein-protein yang
memasuki jalur sekresi. Pembentukan ikatan disulfida natif merupakan aspek
integral dari jalur pelipatan protein, dan berperan penting pada perakitan
protein, dimana kebanyakan protein sekresi (contohnya, antibodi, prokolagen)
merupakan oligomer dari dua atau lebih rantai polipeptida yang digabung
bersama oleh rantai ikatan disulfida. Pada sel-sel sekresi mamalia, jumlah PDI
relatif melimpah, sedang pada ragi jumlah PDI