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:
Figure 8-5 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)
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.
Figure 8-6 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)
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.
Figure 8-7 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)
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.
Figure 8-8 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)
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
Figure 8-9 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)
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.
Figure 8-10 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)
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:
Figure 8-24 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)
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.
Figure 8-25 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)
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
Figure 8-26 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)
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.
Figure 8-27 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)
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