Ekspresi Gene

EKSPRESI GEN

I. Pengertian Ekspresi Gen

Ekspresi gen merupakan suatu proses manifestasi informasi genetik yang dikode oleh

DNA untuk menghasilkan produk berupa protein yang memiliki efek pada sel dan organisme.

Ekspresi gen memiliki keterkaitan dengan sintesis protein yang melibatkan transkripsi dan

translasi. DNA akan mengkode informasi genetik sesuai dengan kebutuhannya. Pada prokariotik

seperti bakteri akan mengekspresi gen secara selektif. Sebagai contoh terkait dengan ketersedian

bahan makanan di lingkungannya, bakteri akan mengaktifkan (switch on) dan menonaktifkan

(switch on) gen yang mengkode enzim yang berperan dalam mencerna makanan. Sedangkan

pada eukariotik, mekanisme ekspresi gen dikontrol oleh sistem yang lebih kompleks.

Ekpresi gen sangat penting dalam proses spesifikasi sel pada organisme multiseluler,

sebagai contoh neuron (sel saraf) dan limfosit (sel darah merah) yang memiliki struktur dan

fungsi yang berbeda. Dapatkah kita membayangkan bagaimana perbedaan karakter ini

terbentuk? Selama masa perkembangan organisme hingga organisme tersebut dewasa

kemungkinan ada gen yang aktif dikontrol dan sebagian hilang ketika suatu sel telah

terspesialisasi. Perubahan ekspresi gen yang demikian menyebabkan terjadinya differensiasi sel.

Meskipun perubahan ekspresi gen pada sel yang spesifik itu berbeda, namun keadaan ini tidak

disertai dengan perubahan susunan sekuens nukleotida DNA mereka. DNA pada sel yang telah

terspesialisasi masih memiliki keseluruhan set informasi dan instruksi genetik bagi semua sel

pada organisme tersebut. Maka dapat dikatakan bahwa, sel yang memiliki karakter yang berbeda

pada suatu organism itu bukan disebabkan karena susunan DNA yang berbeda tetapi karena

ekspresi gen yang berbeda.

Perbedaan ekspresi gen pada sel yang berbeda menyebabkan protein spesifik yang

dihasilkan juga berbeda. Selain housekeeping protein seperti protein structural kromosom; RNA

polymerase; enzim pada DNA repair; protein ribosom; enzim yang terlibat pada glikolisis;

protein sitoskeleton; dan sejumlah protein yang berperan dalam metabolik dasar sel, sel

memproduksi protein yang tidak diproduksi oleh sel lain. Sebagai contoh hemoglobin, hanya

diproduksi oleh sel retikulosit dan tidak diproduksi oleh sel yang lain. Teknik yang digunakan

untuk mengetahui keteradaan protein spesifik tersebut dapat dilakukan dengan teknik

electrophoresis gel atau cell mass spectrometry.

Lingkungan merupakan salah satu faktor penting dalam mengontrol ekspresi gen.

Lingkungan yang berbeda akan direspon dengan cara yang berbeda oleh sel yang sama, atau

lingkungan yang sama akan direspon dengan cara berbeda oleh sel yang berbeda. Sebagai contoh

pada kondisi lapar hormon glucocorticoid akan meningkat. Peningkatan hormon kortikoid akan

menyebabkan sel liver tingginya produksi asam amino yang mengontrol produksi glukosa, dan

memproduksi enzim tyrosin aminoacyltransferase yang mengubah tirosin menjadi glukosa.

Sedangkan pada sel lemak, peningkatan hormon glucocorticoid tidak direspon sama sekali sebab

hormon ini tidak bisa menginduksi terjadinya ekspresi gen yang menyebakan produksi enzim

tyrosine aminoacyltransferase pada sel lemak.

II. Regulasi Ekspresi Gen

Ekspresi gen diregulasi dan dikontrol oleh beberapa tahapan selama proses sintesis

protein berlangsung. Berikut ini merupakan gambar skematik beberapa tahapan regulasi ekspresi

gen:

Figure 8-3 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)

II.1 Regulasi Ekspresi Gen pada Tahap Transkripsi

Pada tahap transkripsi, ekspresi gen diregulasi oleh transcription regulator protein yang

menempel pada sisi spesifik sekuens nukleotida DNA yaitu regulatory DNA sequence. Seperti

halnya promoter, regulatory DNA sequence terletak tidak jauh dari sekuens permulaan

transkripsi dan dari promoter itu sendiri. Transcription regulator protein yang berbeda akan

mengenali regulatory DNA sequence yang berbeda pula. Transcription regulator protein

memiliki beberapa motif ikatan dengan DNA. Ada 3 macam motif ikatan transcription regulator

protein pada DNA yaitu: 1) Homoedomain; 2) Zink finger; dan 3) Leucine Zipper. Berikut

merupakan gambar skematik 3 motif ikatan tersebut:


Terdapat 2 jenis transcription regulator protein, yaitu repressor dan activator. Sesuai

namanya, repressor akan menekan ekpresi gen sehingga gen tersebut menjadi tidak aktif atau

switch off. Sedangkan activator akan mengaktifkan ekspresi gen melalui pengaktifan transkripsi

gen yang bersangkutan atau switch on.

Pada prokatiorik, terdapat seperangkat gen (kelompok gen) pada satu mRNA dengan satu

promoter. Seperangkat gen tersebut disebut dengan operon. Pada prokariotik, regulatory DNA

sequence yang merupakan tempat penempelan transcription regulator protein disebut dengan

operator. Beberapa gen yang tergabung dalam satu operan mensintesis protein yang berbeda-

beda namun memiliki fungsi pada aktivitas yang sama, seperti yang ditampilkan pada gambar di

bawah ini:

1) Gambar A dan B : Homeodomain.

Homeodomain terdiri dari α-helix. α-helix 3 sering

berikatan dengan DNA dengan ikatan hydrogen;

2) Gambar C : Zink zipper. Zink zipper terdiri

dari α-helix dan β-sheet dengan komponen zink

sebagai penghubungnya. α-helix merupakan sisi

yang berikatan dengan DNA; 3) Gambar D:

Leucine Zipper. Leucine Zipper terdiri dari 2 α-

helix yang memegang kedua helix DNA seperti

zipper pada baju.


Pada gambar di atas ditunjukkan bahwa, pada operon E. coli, dalam satu mRNA terdapat

beberapa gen yang mensintesis beberapa jenis protein yang berbeda namun memiliki fungsi

dalam aktivitas yang sama yaitu biosistesis triptoohan. Operon tersebut memiliki satu promoter

sebagai permulaan tahap transkripsi dan satu sisi regulasi ekspresi gen yaitu operator.

Pada prokarotik terdapat dua aktivitas regulasi ekspresi gen oleh repressor dan activator.

Untuk aktivitas regulasi oleh repressor dicontohkan pada kondisi ketersediaan tryptophan pada

sel. Berikut ini merupakan gambar skematik akativitas regulasi ekspresi gen pada tahap

transkripsi oleh repressor.


Ketika kadar tryptophan dalam sel rendah, sel distimulasi untuk melalukan biosintesis tryptophan

melalui ekspresi gen tertentu. Ketika kadar tryptophan rendah, repressor tidak akan menempel

pada operator sehingga transkripsi gen akan berlangsung dan gen akan aktif. Sementara itu,

ketika kadar tryptophan dalam sel tinggi, tryptophan akan menahan repressor pada sisi operator

sehingga RNA polymerase tidak dapat menempel pada promoter, sehingga transkripsi gen yang

mengkode biosintesis tryptophan tidak dimulai, dan gen akan nonaktif sehingga biosintesis

tryptophan tidak terjadi.

Sedangkan aktivitas regulasi oleh activator dapat dicontohkan pada kondisi ketersediaan

glukosa di dalam sel. Berikut ini merupakan gambar skematis aktivitas regulasi activator pada

prokariotik.


Pada kadar glukosa rendah, konsentrasi cAMP akan meningkat. Ketika cAMP meningkat, cAMP

akan mengikat activator CAP (Catabolite Activator Protein) untuk mengaktifkan ekspresi gen

yang mengkode perombakan glukosa dari karbohidrat yang lain seperti lactose dsb. CAM dan

cAMP akan berikatan pada binding site for activator protein yang terletak sebelum promoter.

Ketika activator CAP dan cAMP menempel pada sisi ikatan tersebut, RNA polymerase akan

menempel pada promoter dan memulai transkripsi gen.

Ada kalanya, kedua jenis transcription regulator protein ini bekerja pada satu operon

disebabkan oleh dua kondisi lingkungan. Hal ini dicontoh dalam regulasi pada Lac operon.

cAMP

CAP


Pada kondisi + glukosa dan + laktosa, kehadiran glukosa menyebabkan activator tidak

menempel pada CAP binding site, sedangkan kehadiran laktosa menyebabkan repressor tidak

menempel pada operator. Hal ini menyebabkan operan tidak aktif, Kondisi ini menggambar, jika

di dalam sel terdapat kadar glukosa dan laktosa yang cukup, sel tidak perlu melakukan aktivitas

katabolit laktosa untuk menyediakan glukosa bagi sel. Pada kondisi + glukosa dan – laktosa,

activator tidak bekerja sementara repressor akan mencegah terjadinya transkripsi, sehingga

operon tidak aktif. Pada kondisi – glukosa dan – laktosa, activator akan mengaktifkan transkripsi

sedangkan repressor yang juga hadir karena ketidaktersediaan laktosa menyebabkan transkripsi

tidak bias terjadi dan operon akan off. Sedangkan pada kondisi tidak ada glukosa (-glukosa)

namun laktosa tersedia (+laktosa), sel terinduksi untuk melakukan katabolisme laktosa menjadi

glukosa. Ketidakhadiran glukosa menyebabkan activator aktif dan ketersediaan laktosa

menyebabkan repressor tidak menempel pada operator. Hal ini menyebabkan terjadinya

transkripsi dan operon akan aktif. Dengan aktifkan Lac opran, maka sel akan melakukan

katabolisme laktosa menjadi glukosa.

Pada eukariotik, activator akan menempel pada sekuens nukleotida tertentu yang disebut

dengan enhancer. Namun, enhancer terletak pada posisi yang jauh dari promoter. Untuk

mencapai promoter dan agar dapat berikatan dengan transcription initiation complex, DNA akan

melakukan pelipatan sehingga membentuk loop yang menyebabkan activator pada enhancer

dapat mencapai promoter. Untuk dapat berikatan dengan transcription initiation complex,

activator membutuhkan mediator sebagai penghubungnya. Berikut merupakan gambar skematik

struktur regulasi transkripsi dari ekspresi gen pada eukaryotic.


Selain transcription regulator protein, elemen yang dapat meregulasi ekspresi gen pada tahap

transkripsi yaitu pengepakan DNA pada nucleosome bersamsa protein histon. Pengepakan ini

akan menstimulasi terjadinya transkripsi DNA. Necleosome akan menghambat inisiasi

transkripsi apabila posisinya melewati promoter. Activator dan repressor juga dapat diperngaruhi

oleh struktur chromatin melalui proses histone modification dan chromatin remodeling.

II.2 Regulasi Ekspresi Gen pada Tahap Pasca Transkripsi (Post-Transcriotion)

Pada prokariotik, salam satu regulator ekspresi gen pada tahap post transkripsi adalah

regulasi dengan riboswitch. Riboswitch merupakan sekuens nukleotida pendek pada mRNA

yang dapat merubah konformasinya sehingga ekspresi gen dapat berubah. Sebagai contoh, asam

nukelotida guanine dapat menempel pada riboswitch dan mengubak konformasi mRNA sehingga

proses translasi terhenti dan gene yang mengkode biosintesis purine menjadi tidak aktif. Berikut

merupakan gambar skematis aktivitas tersebut:


Pada eukariotik terdapar beberapa regulator ekspresi gen pada tahap post translasi, di

antaranya: untranslated region of mRNA, miRNA, dan siRNA. Beberapa untranslated region

seperti transcription repressor protein, special sequence, ribosomal small molecule dan antisense

yang memiliki sifat komplemen dengan gene target, dapat menjadi regulator ekspresi gen pada

tahap translasi. Berikut ini merupakan gambar skematis beberapa aktivitas regulator untranslated

region of mRNA.


Regulator ekspresi gen berikutnya yaitu miRNA. miRNA merupakan small non-coding RNA

molecule yang menontrol ekspresi gen melalui stabilitas mRNA dan translasinya. Regulasi

miRNA mengarah kepada gene silencing atau penonaktifkan gen. Berikut ini merupakan gambar

skematis aktivitas regulasi miRNA pada sel eukariotik


miRNA akan keluar dari nucleus menuju ke sitoplasma. Sampai di sitoplasma, satu dari dua

miRNA (single stranded) akan terinsersi pada RISC (RNA Induces Silenceing Complex) protein.

Single stranded miRNA yang telah terinsersi pada RISC akan menempel pada mRNA dan

mendegradasi mRNA tersebut (ada yang secara cepat terdegradasi, adapula yang sebagian

terdegradasi). Akibat dari degradasi tersebut, mRNA tidak dapat melakukan proses sintesis

protein selanjutnya yaitu translasi, sehingga ekspresi gen tidak aktif.

Sedangkan pada siRNA (small interference RNA), sistem ini meregulasi ekspresi gen

melalui dengradasi double-stranded RNA asing seperti dari virus atau dari elemen genetic

transposable yang memproduksi double stranded RNA. Target regulasi siRNA hampir sama

dengan miRNA yaitu untuk gene silencing. Berikut merupakan gambar skematik dari regulasi

ekspresi gen oleh RNA Interference Destroys Double-Stranded Foreign RNAs.


Dicer akan membelah RNA asing menjadi beberapa bagian yang disebut siRNA. Satu dari dua

miRNA (single stranded) akan terinsersi pada RISC (RNA Induces Silenceing Complex) protein.

Single stranded miRNA yang telah terinsersi pada RISC akan menempel pada mRNA dan

mendegradasi mRNA tersebut. Akibat dari degradasi tersebut, mRNA tidak dapat melakukan

proses sintesis protein selanjutnya yaitu translasi, sehingga ekspresi gen tidak aktif.

This article was summarized from: Essential Cell Biology (Albert et al, 2010)

Visit website at http://www.garlandscience.com

http://www.garlandscience.com/

Ekspresi Gene

Documents

Transcript of Ekspresi Gene